Recherche de particules cosmiques avec GRAND // Search for cosmic particles with GRAND

Les neutrinos d'ultra-haute énergie (E>1016E > 10^{16}E>1016 eV) sont essentiels pour une astronomie multi-messagers intégrant les ondes électromagnétiques, gravitationnelles et les neutrinos de plus basse énergie. Un premier candidat a été identifié par KM3Net, mais un détecteur bien plus grand est nécessaire pour obtenir une mesure significative. Le projet HERON vise à combler cette lacune en développant une radiodétection autonome des cascades de particules générées dans l'atmosphère par l'interaction des neutrinos avec la Terre. Il repose sur une double approche : une détection interférométrique pour une meilleure sensibilité et un réseau étendu d'antennes pour optimiser la reconstruction des événements.
Objectifs de la thèse
Cette thèse se divise en trois volets :
1. Définition des objectifs scientifiques et conception du détecteur
Nous analyserons les modèles de sources UHE, leurs taux de population et leur distribution dans le ciel afin d'optimiser les performances du détecteur HERON. L'objectif est d'identifier les sources ponctuelles et d'étudier le flux diffus de neutrinos d'ultra-haute énergie. Nous examinerons aussi la sensibilité du détecteur aux propriétés fondamentales des neutrinos, telles que leur section efficace d'interaction avec la matière et leur composition en saveur.
2. Déclenchement radio et faisabilité expérimentale
HERON repose sur un réseau d'antennes autonomes capables d'accepter des déclenchements d'un réseau phasé. Cette approche permettra de reconstruire des images interférométriques détaillées des gerbes atmosphériques. Plusieurs défis techniques devront être relevés : la synchronisation des données radio, la construction du déclenchement à partir du réseau phasé et l'optimisation du segment de données à enregistrer. La conception du prototype du réseau phasé sera réalisée en collaboration avec l'équipe de Wissel (Penn State), qui possède une expertise acquise sur le projet BEACON.
3. Identification et reconstruction des candidats de gerbes atmosphériques
Les gerbes induites par des rayons cosmiques très inclinés possèdent des caractéristiques similaires à celles attendues pour les neutrinos. Nous utiliserons les données expérimentales de GP300 pour analyser ces événements grâce à une approche statistique. Le grand nombre de candidats attendus (plusieurs milliers par an) nous permettra de mieux comprendre les signatures observables dans le cadre de HERON.
Rôle du doctorant
Le doctorant participera activement à l'analyse des données du détecteur GP300, notamment sur la mesure de l'efficacité et de la pureté de détection des gerbes inclinées. Ce travail lui offrira une formation approfondie en astrophysique et en physique des particules. Il prendra en charge l'étude scientifique de HERON et son impact sur la recherche des neutrinos UHE.
Par ailleurs, selon ses intérêts, il pourra s'impliquer dans le développement des méthodes de synchronisation des antennes et la reconstruction interférométrique des signaux. L'expertise des équipes impliquées constituera un cadre idéal pour acquérir ces compétences, sans que les résultats du projet ne dépendent exclusivement de son implication.
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Ultra-high-energy neutrinos (E>1016E>1016 eV) are essential for multi-messenger astronomy, which integrates electromagnetic radiation, gravitational waves, and lower-energy neutrinos. A first candidate has been identified by KM3Net, but a significantly larger detector is needed for a statistically significant measurement. The HERON project aims to bridge this gap by developing autonomous radio detection of particle cascades in the atmosphere induced by neutrino interactions with the Earth. It relies on a dual approach: interferometric detection for optimal sensitivity and an extended antenna network to enhance event reconstruction.
Thesis Objectives

This thesis is structured around three main aspects:

Scientific goals and detector design
We will analyze ultra-high-energy (UHE) source models, their population rates, and their sky distribution to optimize HERON's performance. The goal is to identify point sources and study the diffuse flux of UHE neutrinos. We will also examine the detector's sensitivity to fundamental neutrino properties, such as their interaction cross-section with matter and their flavor composition.

Radio triggering and experimental feasibility
HERON relies on an autonomous antenna network capable of accepting triggers from a phased array network. This approach will allow for detailed interferometric imaging of atmospheric showers. Several technical challenges need to be addressed, including precise synchronization of radio data, the construction of triggers from the phased array, and the optimization of recorded data segments. The design of the phased array prototype will be carried out in collaboration with Wissel's team at Penn State, leveraging expertise from the BEACON project.

Identification and reconstruction of atmospheric shower candidates
Highly inclined cosmic-ray-induced showers exhibit characteristics similar to those expected from neutrinos. We will analyze data from GP300 using a statistical approach, taking advantage of the large number of expected candidates (several thousand per year) to better understand observable signatures within the HERON framework.

Role of the PhD Candidate

The PhD candidate will play a key role in analyzing data from the GP300 detector, focusing on the efficiency and purity of inclined shower detection. This work will provide comprehensive training in astrophysics and particle physics. They will lead the scientific study of HERON and its impact on UHE neutrino research.

Additionally, depending on their interests, the candidate may contribute to the development of antenna synchronization methods and interferometric signal reconstruction. The expertise of the involved teams will offer an ideal environment for skill acquisition, ensuring that project outcomes are not solely dependent on their involvement.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'un établissement public Français

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

564 Physique en Ile de France

Base de niveau Master2 en physique des particules et/ou astrophysique Compétences en programmation (langage Python) Gout pour la physique experimentale et instrumentale
Master-level academic knowledge in particle physics and/or astrophysics Computing skills (Python) Interest in experimental and instrumental physics