Détection à haute résolution temporelle et association de particules dans les faisceaux de neutrinos de haute intensité à l’aide de détecteurs gazeux et au silicium // Precision Timing and Particle Association in High-Intensity Neutrino Beams with Gaseous

La prochaine génération d’expériences sur les neutrinos vise à atteindre une précision sans précédent dans la mesure des sections efficaces d’interaction des neutrinos, une condition essentielle pour réduire les incertitudes systématiques des futures expériences d’oscillation telles que DUNE et Hyper-Kamiokande. Le projet nuSCOPE, proposé au CERN, introduit une approche innovante reposant sur des faisceaux de neutrinos monitorés et étiquetés (tagged) individuellement, dans laquelle la reconstruction précise des particules chargées issues de la désintégration des mésons permet de déterminer le flux, la saveur et l’énergie des neutrinos. La réalisation de ce concept nécessite des systèmes de détection combinant une excellente résolution temporelle et spatiale, une capacité de fonctionnement à haut taux de comptage et une couverture de grandes surfaces.

Cette thèse propose d’étudier la détection à haute résolution temporelle et l’association de particules à l’aide de technologies complémentaires de détection gazeuse et au silicium. L’activité expérimentale principale portera sur le développement d’une nouvelle génération de détecteurs PICOSEC-Micromegas de grande surface, exploitant la production de lumière Cherenkov, sa conversion en photoélectrons et leur amplification rapide dans un gaz pour atteindre des résolutions temporelles de quelques dizaines de picosecondes. Une attention particulière sera accordée à la compréhension des mécanismes physiques limitant la résolution temporelle et l’efficacité de détection, à l’optimisation des photocathodes robustes, de la géométrie des détecteurs et de l’électronique de lecture, ainsi qu’au maintien de performances homogènes lors du passage à de plus grandes surfaces. L’intégration des couches de chronométrage PICOSEC avec des détecteurs Micromegas minces dédiés à la reconstruction des trajectoires sera également étudiée. En parallèle, le projet contribuera à la caractérisation des capteurs monolithiques au silicium MiniCACTUS, combinant une fine granularité spatiale, une haute résolution temporelle et une capacité de fonctionnement à haut taux de comptage pour les régions centrales du spectromètre.

Un objectif scientifique central sera d’établir le lien entre les performances des détecteurs et les capacités d’étiquetage des neutrinos. À travers des simulations et des études de reconstruction, le doctorant étudiera comment la résolution temporelle, la granularité spatiale, l’efficacité de détection et la multiplicité des particules influencent l’association des trajectoires, les coïncidences accidentelles et la reconstruction des neutrinos. Ces études fourniront des éléments quantitatifs pour optimiser les performances complémentaires des différentes technologies de détection.

Le programme expérimental s’appuiera sur les installations du CEA dédiées aux mesures par laser, aux muons cosmiques et aux sources radioactives, permettant de poursuivre les développements pendant l’arrêt prolongé des accélérateurs du CERN. Soutenue par le projet ANR EXTASE, récemment financé, qui fournira les moyens nécessaires à la réalisation des prototypes, aux équipements et aux déplacements scientifiques, cette thèse associera des développements innovants en instrumentation à une optimisation guidée par les objectifs de physique, contribuant ainsi au projet nuSCOPE et aux futurs systèmes de détection pour la physique des particules à haute intensité.
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The next generation of neutrino experiments aims to achieve unprecedented precision in neutrino interaction cross-section measurements, a prerequisite for reducing systematic uncertainties in future oscillation experiments such as DUNE and Hyper-Kamiokande. The proposed nuSCOPE facility at CERN introduces an innovative approach based on monitored and individually tagged neutrino beams, where precise reconstruction of charged particles produced in meson decays provides information on the neutrino flux, flavour and energy. Realising this concept requires detector systems combining excellent timing and spatial resolution, high-rate capability and large-area coverage.

This PhD project proposes to investigate precision timing and particle association using complementary gaseous and silicon detector technologies. The main experimental activity will focus on developing a new generation of large-area PICOSEC-Micromegas detectors, exploiting Cherenkov-light conversion and fast gaseous amplification to achieve timing resolutions of a few tens of picoseconds. Particular attention will be devoted to understanding the physical mechanisms limiting timing performance and efficiency, optimising robust photocathodes, detector geometry and readout electronics, and preserving uniform performance when scaling towards larger surfaces. The integration of PICOSEC timing layers with thin Micromegas tracking detectors will also be investigated. In parallel, the project will contribute to the characterisation of MiniCACTUS monolithic silicon sensors, combining fine spatial granularity, precise timing and high-rate capability for the central regions of the spectrometer.

A central scientific objective will be to establish the relationship between detector performance and neutrino-tagging capabilities. Through simulations and reconstruction studies, the doctoral researcher will investigate how timing resolution, spatial granularity, detection efficiency and particle multiplicity influence track association, accidental coincidences and neutrino reconstruction. These studies will provide quantitative feedback for optimising the complementary detector technologies.

The experimental programme will exploit dedicated laser, cosmic-muon and radioactive-source facilities at CEA, enabling detector development during CERN's accelerator long shutdown. Supported by the recently funded ANR EXTASE project, providing resources for prototypes, equipment and scientific exchanges, the thesis will combine innovative detector development with physics-driven optimisation, contributing to nuSCOPE and future high-intensity particle-physics instrumentation.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département d’Electronique, des Détecteurs et d’Informatique pour la physique
Laboratoire : DÉtecteurs: PHYsique et Simulation
Date de début souhaitée : 01-10-2027
Ecole doctorale : PHENIICS (PHENIICS)
Directeur de thèse : PAPAEVANGELOU Thomas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU/DEDIP/DETECS
URL : https://irfu.cea.fr/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Département d’Electronique, des Détecteurs et d’Informatique pour la physique

Master 2 in Particle or Nuclear Physics, instrumentation or equivalent.