Analyse des premières données de l'expérience JUNO pour la mesure des bruits de fond radiogénique et cosmogénique // Analysis of the first data of the JUNO experiment for the measurement of the radiogenic and cosmogenic background

L'expérience JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) a pour objectif principal de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos. Les expériences d'oscillation des neutrinos ont mesuré jusqu'à présent les différences de masses carrées des neutrinos états propres de masse mais deux scénarios sont possibles quant à la hiérarchie des masses. Cette mesure permettra d'ouvrir la voie à la recherche de la violation de CP dans le secteur leptonique ce qui aura un impact sur la compréhension de l'asymétrie matière/antimatière dans l'Univers. L'objectif de JUNO est d'atteindre une sensibilité de plus de 3σ sur la hiérarchie de masse après 6 ans de prise de données. JUNO permettra de mesurer avec précision plusieurs paramètres de la matrice d'oscillation des neutrinos et le détecteur sera également sensible à la détection des géo-neutrinos, des neutrinos solaires et atmosphériques ainsi qu'aux neutrinos des supernovae. La construction du détecteur dans un site expérimental dédié, dans le sud de la Chine est terminée et la prise de données démarre en 2025.
JUNO est une collaboration internationale regroupant 72 instituts (Asie, Europe, Amérique) et environ 600 physiciens. L'expérience utilisera les neutrinos de plusieurs réacteurs nucléaires, dont la puissance totale devrait atteindre 26,6 GW. Le détecteur est situé à 53 km des coeurs des réacteurs. La cible est constituée d'un scintillateur liquide permettant de détecter les anti-neutrinos électroniques émis par les réacteurs. La lumière émise par le scintillateur sera collectée par environ 43000 photomultiplicateurs (PM). L'ensemble scintillateur liquide+PM, constitue un volume sphérique entouré par une piscine d'eau équipée de PM permettant d'identifier les muons cosmiques induisant du bruit de fond. Un détecteur supplémentaire pour identifier ces muons sera installé au-dessus.
Le groupe de Bordeaux est fortement impliqué dans l'expérience JUNO puisqu'il a en charge la coordination technique des petits photomultiplicateurs et plusieurs sujets d'analyse et de simulation.
L'analyse des données de JUNO représentera un défi, puisque le taux de données issu du DAQ est de 1 Hz et le volume de données atteint 60 MB par seconde. Parmi toutes ces données, le taux attendu d'événements neutrinos est d'environ 60 par jour. La raison d'un taux de DAQ aussi élevé est le fort bruit des PMs et le seuil global bas permettant ainsi la détection d'événements de très basse énergie.
Le doctorant aura l'opportunité de débuter sa thèse au moment du démarrage de la prise de données. Il/elle travaillera sur l'analyse des premières données et réalisera des comparaisons systématiques avec la simulation afin d'ajuster plusieurs paramètres liés à la géométrie, la réponse des PMs et du liquide scintillant. L'étudiant en thèse devra traiter un grand volume de données afin de sélectionner les événements que nous cherchons à détecter, tels que les coïncidences Bismuth-Polonium, qui permettent d'être sensible à de faibles taux de radioactivité naturelle, ainsi que les noyaux cosmogéniques, dont nous attendons moins d'un événement par jour dans l'échantillon neutrinos.
Pour ces analyses, l'étudiant en thèse développera des outils d'apprentissage automatique utilisant des réseaux de neurones afin d'améliorer l'efficacité de la sélection des événements de physique recherchés. La majeure partie du travail visera à discriminer les types de particules (discrimination alpha/électron) et à réduire le bruit de fond. De plus, pour développer ces outils, l'étudiant devra simuler une grande quantité de données. Un des objectifs de la thèse sera ainsi de mettre au point des méthodes permettant d'accélérer la simulation. Enfin, l'étudiant devra s'intégrer dans une large collaboration internationale, il/elle devra participer à la mise en fonctionnement et à la prise de données du détecteur avec du temps passé sur le site de l'expérience.
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The JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) experiment aims to determine the neutrino mass hierarchy. Neutrino oscillation experiments have measured so far the mass splittings between the three neutrino mas eigenstates, but two scenarios are still possible: normal hierarchy where m1 is the lightest neutrino, and inverted hierarchy where m3 is the lightest one. Such a measurement will be a key element in the search for CP violation in the leptonic sector, which is crucial for understanding the asymmetry between matter and anti-matter in our Universe. Furthermore, the determination of the neutrino mass hierarchy has an impact on the effective Majorana neutrino mass and on the discovery potential of experiments aiming to observe the ββ0ν decay.
The goal of JUNO is to achieve 3σ sensitivity after 6 years of data collection. In addition, JUNO will measure solar oscillation parameters with sub-percent precision, and it will be sensitive to geo-neutrinos, solar, atmospheric and supernova neutrinos. The construction of the detector in southern China is complete, the data taking with water is started and the data taking with Liquid Scintillator will start in 2025.
JUNO is an international collaboration involving 72 institutes from Asia, Europe and America, bringing together around 600 physicists. The experiment will exploit anti-neutrinos emitted by nuclear power plants with a total power of 26.6 GW located 53 km from the detector. The target consists of liquid scintillator, and the light will be collected by 43000 photomultiplier tubes (PMT). The central detector (scintillator + PMT) will be surrounded by a veto system, consisting of a water pool instrumented with PMTs to detect Cherenkov light produced by muons crossing the volume. An additional detector, the Top Tracker, will be placed on top of the JUNO target to detect muons.
The Bordeaux group is strongly involved in the experiment, sharing the responsibility for the technical coordination of the 256000 PMT 3” system and leading several analyses, as well as the development and oversight of the simulation.
Data analysis is challenging, as we expect a DAQ rate of 1 kHz and a data volume of 60 MB per second. Among all this data, the expected neutrino rate is about 60 events per day. The reason for such a high DAQ rate is the PMT dark noise and the globally low threshold, which allows the detection of transient events as well.
The Ph.D. candidate will have the opportunity to start its Ph.D as the data-taking phase begins. He/she will work on analyzing the first data and performing systematic comparisons with simulations to adjust key parameters, such as the response of the PMTs. The Ph.D student will need to handle large amounts of data to select the relevant events we want to study: Bismuth-Polonium coincidences which are crucial for detecting low natural radioactivity rates, and cosmogenic events, for which we expect fewer than one event per day in the neutrino sample. For these analysis the PhD student will develop machine learning-based tools to improve the efficiency of identifying the relevant events. Most of the work will aim to achieve particle discrimination (alpha/electron discrimination) and background reduction. Additionally, to develop the machine-learning tools like Neural Networks, the PhdD student will need to simulate large amounts of data. One of the thesis objectives will be to develop methods to speed up the simulation process (currently, all optical photons are simulated).
Furthermore, the student will need to integrate into a large international collaboration, he/she will be required to participate to the commissioning of the detector (with time spent on-site in China).
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : http://juno.ihep.cas.cn

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Université de Bordeaux

209 Sciences Physiques et de l'Ingénieur

Diplôme de Master 2 en physique des particules, physique nucléaire. L'étudiant devra bien connaître les interactions des particules ainsi que les techniques de détection. L'étudiant devra avoir des compétences sur la programmation, le traitement des données de grand volume et sur les méthodes par apprentissage automatique. Sont éligibles uniquement des candidatures internationales, à savoir : - des candidates ou candidats ayant obtenu (ou en cours d'obtention de) leur diplôme d'accès au doctorat (Master ou équivalent) dans un établissement à l'étranger - des candidates ou candidats actuellement dans un Graduate Program de l'université de Bordeaux, inscrits en deuxième année de Master et ayant obtenu leur diplôme d'accès au Master dans un établissement à l'étranger Seront prises en compte uniquement les candidatures soumises sur la plateforme suivante : https://aap.u-bordeaux.fr/ et avant le 17 mars à 23h59 (GMT Paris). Un guide de candidature ainsi que la liste des documents à soumettre sont disponibles sur la plateforme. Pour toute question, veuillez contacter : internationalisation.doctorat@u-bordeaux.fr
The student should be titular of a M2 diploma in the field of nuclear/particle physics. The student should have a strong knowledge of the particule interactions as well as detection technics. The student should have skills on computing, big data processing and machine learning methods The UB PhD scholarship program is open to international candidates only, which means: - candidates holding (or currently enrolled in) a national level master's degree or another degree conferring master's status from a foreign institution - candidates currently in a Graduate Program, enrolled in second year of Master at the University of Bordeaux, and holding a degree from a foreign institution We will only consider applications submitted on the following platform: https://aap.u-bordeaux.fr/ and prior March 17, at 11:59pm (GMT Paris). A guide on how to apply as well as the list of documents to submit are available on the platform. For any question, please contact: internationalisation.doctorat@u-bordeaux.fr