Étude de sensibilité de l'expérience dune à l'aide de simulations et ajustements différentiables et mesure des effets de charge d'espace dans protodune-vd // sensitivity studies of the dune experiment using differentiable simulations and inference techniq

Topic description

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est une expérience d'oscillation de neutrinos de nouvelle génération actuellement en construction aux États-Unis. Un faisceau de neutrinos produit au Fermilab (FNAL) sera dirigé vers des détecteurs gigantesques à argon liquide, situés à 1 km de distance au Sanford Underground Research Facility (SURF), dans le Dakota du Sud. Ce programme ambitieux vise à répondre à des questions fondamentales, notamment l'origine de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, l'ordre de masses des neutrinos, ainsi qu'à l'étude des neutrinos solaires et de supernovas.
Le Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules (LAPP) occupe une place centrale dans le développement de la technologie de dérive verticale (Vertical Drift) de DUNE. Le laboratoire a largement contribué à la conception et à l'optimisation des systèmes de lecture de charge, les Charge Readout Planes (CRP). Ces unités de détection, composées de circuits imprimés troués, permettent une reconstruction détaillée des interactions de neutrinos. Depuis, la technologie à dérive verticale est testée à grande échelle au CERN avec le prototype ProtoDUNE-VD qui recueille des données en faisceau hadronique et des rayons cosmiques. Le LAPP est fortement impliqué dans le développement de logiciels de reconstruction et l'analyse utilisés de ces données.
La thèse aura pour premier objectif d'étudier l'effet de charge-espace grâce aux données de ProtoDUNE-VD. Comme le détecteur est soumis à un flux intense de rayons cosmiques, la dérive lente des ions d'argon vers la cathode génère des distorsions locales du champ de dérive, ce qui modifie la réponse du détecteur. Le mouvement de l'argon liquide joue également un rôle dans l'intensité de l'effet charge-espace. L'exploitation des données prises avec différents champs de dérive, avec un laser ou en combinaison avec les données de scintillation permettront de mieux quantifier, et corriger l'effet de charge-espace.
Un premier axe consistera à introduire des méthodes de calcul innovantes via le développement de simulations et ajustements différentiables, permettant de modéliser finement les distorsions induites et d'en évaluer l'impact sur les performances du détecteur. Une attention particulière sera portée à la validation expérimentale du modèle ainsi qu'à la quantification des incertitudes systématiques associées.
Dans un second axe, les outils développés seront adaptés aux détecteurs lointains de DUNE afin d'introduire et d'évaluer l'impact d'autres paramètres, à l'aide de simulations et ajustements différentiables, sur les analyses de physique, en particulier les études de sensibilité aux paramètres d'oscillation des neutrinos.
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DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) is a next-generation neutrino oscillation experiment currently under construction in the United States. A neutrino beam will be produced at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) and directed towards massive detectors filled with liquid argon, installed in a mine km away at the Sanford Underground Research Facility (SURF) in South Dakota. DUNE will combine a neutrino beam, a deep underground site, and massive detectors to enable a broad scientific program addressing some of the most fundamental questions in particle physics. The origin of matter-antimatter asymmetry in the Universe is among the most important of these questions. DUNE's physics program also includes precision measurements of of solar and supernova neutrinos.

The Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules (LAPP) plays a central role in the development of the vertical drift technology for DUNE. The laboratory has made major contributions to the design and optimization of the charge readout systems, namely the Charge Readout Planes (CRPs). These detection units, composed of perforated printed circuit boards, enable a detailed reconstruction of neutrino interactions. Since, the vertical drift technology has been tested at large scale at CERN with the ProtoDUNE-VD prototype, which collects data from hadron beams and cosmic rays. LAPP is strongly involved in the development of reconstruction software and in the analysis of these data.
The first objective of the PhD will be to study space-charge effects using ProtoDUNE-VD data. As the detector is exposed to an intense flux of cosmic rays, the slow drift of argon ions toward the cathode generates local distortions of the drift field, thereby affecting the detector response. The motion of the liquid argon also plays a role in the magnitude of the space-charge effect. The exploitation of data taken with different drift field configurations, with a laser system, or in combination with scintillation data will allow for a better quantification and correction of space-charge effects.
The first research axis will focus on introducing innovative computational methods through the development of differentiable simulations and fitting techniques, enabling precise modeling of the induced distortions and the evaluation of their impact on detector performance. Particular attention will be paid to the experimental validation of the model, as well as to the quantification of the associated systematic uncertainties.
The second axis will consist in adapting the developed tools to the DUNE far detectors in order to introduce and assess the impact of additional parameters, using differentiable simulations and fitting techniques, on physics analyses, in particular sensitivity studies to neutrino oscillation parameters
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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