Caractérisation et compréhension du low-energy excess dans les détecteurs cryogéniques de l'expérience NUCLEUS : vers une mesure de précision de la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux auprès d’un réacteur // Understanding the low-energy excess in

Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience NUCLEUS, installée au cœur de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes, avec un objectif ambitieux : détecter et mesurer le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) auprès d'un réacteur nucléaire. Aux énergies du MeV, la DCNN est le mode d'interaction prépondérant des neutrinos avec la matière, mais les très faibles reculs nucléaires qu'elle produit l'ont longtemps rendue inobservable : elle n'a été mise en évidence qu'en 2017, soit 40 ans après sa prédiction, à l'accélérateur d'Oak Ridge aux USA. Sa mesure auprès d'un réacteur est un double défi : les reculs nucléaires produits, d'énergie de l'ordre de 100 eV, échappent aux détecteurs conventionnels, et les conditions de bruit y sont particulièrement défavorables.
Pour répondre à ces défis, la collaboration NUCLEUS développe des calorimètres cryogéniques : des cristaux de tungstate de calcium d'une masse totale d'environ 10 grammes, opérés à ~10 mK et lus par des thermomètres à transition supraconductrice (TES), atteignant des seuils de l'ordre de 10 eV. Ces détecteurs sont protégés des bruits de fond externes par un blindage cryogénique instrumenté complété d’un blindage radiologique et d’un véto muon à l’extérieur du cryostat, l’ensemble ayant été conçu et développé par notre équipe. Ces seuils ultra-bas ont toutefois révélé une nouvelle limite : un bruit de fond instrumental mal compris, surnommé « low-energy excess » (LEE), dont le taux croît exponentiellement sous le keV et masque le signal DCNN attendu. Observé par toutes les expériences de détection cryogénique à bas seuil, le LEE est aujourd'hui le principal facteur limitant la détection cryogénique des antineutrinos de réacteur, et sa compréhension constitue le fil conducteur de cette thèse.
Après une installation réussie en 2026, NUCLEUS est entrée dans une première phase de prise de données, appelée « run technique », utilisant un module de détection cryogénique simplifié. Elle sera suivie à l'horizon 2027 d'un « run neutrino », exploitant une version mise à jour du module intégrant un système de maintien des cristaux instrumenté, appelé inner veto, et développé à l'université technique de Munich. Au cours de sa thèse, le (la) doctorant(e) sera partie prenante de ces campagnes de prises de données et de leur analyse, en mobilisant l'ensemble des sous-détecteurs de l'instrument. Il s'agira d'une part de caractériser les bruits de fond particules au keV afin d'affiner le modèle Geant4 élaboré dans notre équipe, prérequis indispensable pour bien isoler les caractéristiques temporelles et énergétiques du LEE dans les événements reconstruits à basse énergie. Un second volet du sujet sera ensuite dédié à la caractérisation du LEE et à l'identification de son origine parmi les hypothèses actuelles (stress mécanique induit par le maintien des cristaux, relaxation de défauts cristallins), en comparant minutieusement les deux configurations du détecteur. Cette comparaison sera décisive pour éprouver l'hypothèse du stress mécanique et, le cas échéant, rejeter les événements associés. La confrontation de ces deux campagnes permettra ainsi de mieux cerner les paramètres expérimentaux qui modulent le taux d'événements LEE, et d'orienter la conception d'un nouveau détecteur minimisant ce bruit de fond. L'objectif est d'ouvrir la voie à une mesure de la DCNN auprès d'un réacteur avec une sensibilité de premier plan, avec des retombées pour l'étude du neutrino et la surveillance des installations nucléaires.
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This PhD topic is part of the NUCLEUS experiment, installed at the heart of the Chooz nuclear power plant in France, with an ambitious goal: detecting and measuring coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) at a nuclear reactor. At MeV energies, CEvNS is the dominant interaction mode of neutrinos with matter, but the very low-energy nuclear recoils it produces long made it unobservable: it was first measured in 2017, forty years after its prediction, at the Oak Ridge accelerator in the USA. Measuring it at a reactor is a twofold challenge: the nuclear recoils, with energies of the order of 100 eV, escape conventional detectors, and background conditions there are particularly unfavorable.
To meet these challenges, the NUCLEUS collaboration has developed cryogenic calorimeters: calcium tungstate crystals with a total mass of about 10 grams, operated at ~10 mK and read out by transition-edge sensors (TES), achieving detection thresholds of the order of 10 eV. These detectors are shielded from external backgrounds by an instrumented cryogenic shield, complemented by a radiological shield and a muon veto outside the cryostat, all designed and developed by our team. These ultra-low thresholds have however revealed a new limitation: a poorly understood instrumental background, dubbed the "low-energy excess" (LEE), whose rate rises exponentially below the keV and inders the expected CEvNS signal. Observed by all low-threshold cryogenic detection experiments, the LEE is today the main factor limiting the cryogenic detection of reactor antineutrinos, and understanding it is the guiding thread of this thesis.
Following a successful installation in 2026, NUCLEUS has entered its first data-taking phase, called the "technical run", using a simplified cryogenic detection module. It will be followed in 2027 by a "neutrino run", exploiting an updated version of the module integrating an instrumented crystal-holding system, called the inner veto, developed at the Technical University of Munich. During the thesis, the PhD student will take part in these data-taking campaigns and their analysis, mobilizing all the sub-detectors of the instrument. The first task will be to characterize particle backgrounds in the keV region in order to refine the Geant4 model developed by our team, an essential prerequisite to properly isolate the temporal and energy characteristics of the LEE in low-energy reconstructed events. A second part of the topic will then be dedicated to the characterization of the LEE and to the identification of its origin among the current hypotheses (mechanical stress induced by the crystal holder, relaxation of crystal defects), through a detailed comparison of the two detector configurations. This comparison will be decisive to test the mechanical stress hypothesis and, where appropriate, to reject the associated events. Combining these two campaigns will make it possible to better identify the experimental parameters that modulate the LEE event rate, and to guide the design of a new detector minimizing this background. The goal is to pave the way for a CEvNS measurement at a reactor with world-class sensitivity, with implications for neutrino physics and the monitoring of nuclear facilities.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules
Laboratoire : Groupe Sources et Réacteurs (GNSR)
Date de début souhaitée : 01-10-2027
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : Vivier Matthieu
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DPHP/Double Chooz
URL : https://irfu.cea.fr/dphp/
URL : https://nucleus-experiment.org/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Service de Physique des Particules

Formation en physique expérimentale, avec spécialisation en physique des particules et/ou physique nucléaire