ED Sciences Physiques et de l'Ingénieur
Optimisation des outils de simulation et analyse des premières données d'étalonnage et de neutrinos de réacteur de l'expérience JUNO
par Matthieu LECOCQ (Laboratoire de Physique des 2 Infinis de Bordeaux)
Cette soutenance a lieu à 14h00 - Marie Curie 19 Chemin du Solarium, Batiment CREATIF, 33170 Gradignan
devant le jury composé de
- Cécile JOLLET - Maîtresse de conférences - Université de Bordeaux - Directeur de these
- David LHUILLIER - Directeur de recherche - IRFU CEA Paris-Saclay - Rapporteur
- Davide FRANCO - Directeur de recherche - APC - Rapporteur
- Margherita BUIZZA AVANZINI - Chargée de recherche - Laboratoire Leprince Ringuet - Examinateur
- Claudia NONES - Directrice de recherche - IRFU-CEA Paris-Saclay - Examinateur
- Nadezda SMIRNOVA - Professeure des universités - LP2I Bordeaux / Université de Bordeaux - Examinateur
Près d'un siècle après sa première théorisation, le neutrino occupe aujourd'hui une place de premier plan en physique des particules. La découverte des oscillations a constitué une étape importante, car elle a démontré qu'un neutrino produit dans une saveur donnée pouvait être détecté dans une saveur différente, mais a surtout établi que les neutrinos sont massifs, en contradiction directe avec le Modèle Standard. Cette découverte a ouvert un riche programme expérimental visant à mesurer précisément les paramètres d'oscillation et à répondre aux questions encore ouvertes sur les neutrinos. Parmi celles-ci, l'ordre de masse des neutrinos — savoir quel neutrino est le plus lourd (ou le plus léger) — est l'un des paramètres nécessaires pour compléter notre compréhension des oscillations. Bien que les résultats récents semblent pencher vers un ordre normal (les neutrinos ordonnés en masse comme leurs leptons correspondants), le dernier effort conjoint des expériences NOνA et T2K n'a pas permis de conclure sur ce problème. Le Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) est un détecteur à scintillateur liquide de nouvelle génération, d'une masse de 20 kilotonnes, doté d'une résolution en énergie sans précédent de 3%, conçu pour sonder l'ordre de masse des neutrinos à l'aide d'antineutrinos de réacteur, tout en atteignant une précision inférieure au pourcent sur les paramètres d'oscillation, et offrant également un vaste programme de physique incluant l'étude des neutrinos solaires, atmosphériques et de supernova. Cette thèse s'inscrit dans une période cruciale de l'expérience, puisque la construction du détecteur s'achevait et que le début de la prise de données approchait. Ce travail présente plusieurs études de mise en service du détecteur et d'analyse menées à partir des premières données de JUNO, avec un accent sur le canal de détection par désintégration bêta inverse (IBD), central pour l'objectif principal de l'expérience. Avant la phase de mise en service, la thèse s'est concentrée sur l'optimisation des outils de simulation de JUNO, puis sur leur validation par comparaison avec les données d'étalonnage collectées durant la mise en service, du remplissage en double phase jusqu'au détecteur entièrement rempli. À l'aide de sources radioactives et de neutrons déployées à différentes positions, le rendement lumineux, l'uniformité spatiale et la non-linéarité en énergie du détecteur sont caractérisés et comparés à la simulation, pour les deux systèmes de photomultiplicateurs. Ces études ont permis d'identifier et d'améliorer la fidélité du modèle de réponse du détecteur. En s'appuyant sur cette compréhension validée du détecteur, l'analyse centrale de cette thèse présente la sélection des événements IBD appliquée aux 60 premiers jours de données de JUNO, ainsi que la caractérisation du bruit de fond cosmogénique 9Li/8He, produit par spallation des muons dans le scintillateur et constituant l'un des bruits de fond corrélés les plus significatifs pour le signal IBD. Deux stratégies complémentaires de suppression de ce bruit de fond sont présentées : un veto sphérique autour de la position des neutrons associés et un veto cylindrique le long de la trace reconstruite du muon, exploitant la corrélation spatiale et temporelle entre le muon parent et les produits de spallation. Enfin, cette thèse explore la formation de l'ortho-positronium (o-Ps) dont la signature dans la distribution temporelle des évènements permet de distinguer positrons et électrons, dont les applications potentielles permettent le rejet de bruits de fond. La fraction de formation et la durée de vie de l'o-Ps dans le scintillateur liquide de JUNO sont estimées à partir de simulations et des premières données, et les perspectives ainsi que les limites de cette technique sont discutées, notamment l'utilisation de différents types de photomultiplicateurs.
Suivi de l'orientation de nanotubes de carbone individuels émettant dans le proche infrarouge pour sonder l'espace extracellulaire cérébral
par LiMeng RUAN (Laboratoire Photonique, Numérique & Nanosciences)
Cette soutenance a lieu à 14h00 - Amphitheater Institut d'Optique d'Aquitaine Rue François Mitterrand CS30006
devant le jury composé de
- Laurent COGNET - Directeur de recherche - CNRS - Directeur de these
- Charles KERVRANN - Directeur de recherche - INRIA - Rapporteur
- François MARQUIER - Professeur des universités - Université ENS Paris-Saclay - Rapporteur
- Sophie BRASSELET - Directrice de recherche - CNRS - Examinateur
- Stéphane GRAUBY - Professeur des universités - Université de Bordeaux - Examinateur
L'espace extracellulaire (ECS) du cerveau est un système de régions interconnectées, délimitées par les membranes neuronales et contenant le liquide interstitiel ainsi que la matrice extracellulaire (ECM). Celle-ci joue un rôle fondamental dans le transport moléculaire qui sous-tend la diffusion des signaux biologiques et chimiques et la communication intercellulaire. Comprendre ses caractéristiques est essentiel pour approfondir nos connaissances de la physiologie et de la pathologie cérébrales. Le suivi de particules uniques donne accès au comportement diffusif local des molécules dans les tissus cérébraux vivants. En particulier, les nanotubes de carbone monoparois sont des émetteurs très efficaces dans le proche infrarouge et servent de sondes pour l'imagerie et la caractérisation de l'ECS. Si leur diffusion translationnelle dans l'ECS est bien établie, leur diffusion rotationnelle reste peu explorée, alors qu'elle peut renseigner sur la viscosité locale de l'ECS et l'organisation de l'ECM. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur la diffusion rotationnelle et translationnelle de nanotubes de carbone uniques à centres colorés (CCNT), dont la longueur peut être ajustée selon l'environnement, afin de mieux comprendre l'ECS cérébral. Nous avons développé un microscope à polarisation radiale et azimutale fonctionnant dans l'infrarouge à ondes courtes, inspiré de la microscopie de localisation et d'orientation de molécules uniques (SMOLM). Lors de l'imagerie des CCNT, les fonctions d'étalement dipolaires se sont révélées très sensibles aux aberrations optiques ; nous les avons estimées par un algorithme de reconstruction vectorielle de phase. En intégrant un algorithme Deep-SMOLM, nous avons obtenu une estimation de haute précision de l'orientation tridimensionnelle et de la localisation bidimensionnelle de molécules uniques. Sur cette base, nous avons établi une technique de suivi orientationnel de particules uniques (Single Particle Orientation Tracking, SPoT), permettant la reconstruction simultanée des trajectoires rotationnelles et translationnelles de molécules individuelles. Nous avons appliqué un modèle de diffusion brownienne décrivant la dynamique rotationnelle et translationnelle de sondes anisotropes. Pour une analyse quantitative des trajectoires, nous avons introduit le déplacement quadratique moyen, le déplacement angulaire quadratique moyen et la fonction de corrélation temporelle de réorientation comme observables clés à l'échelle de la particule unique. Nous avons d'abord étudié la diffusion des CCNT dans des mélanges eau–glycérol : l'analyse du mouvement brownien dépendant de la viscosité s'est révélée en excellent accord avec la théorie. Des expériences dans des gels d'agarose à 2% et dans des émulsions compactes ont ensuite montré comment la microstructure des réseaux et le confinement géométrique induisent des écarts systématiques par rapport à la diffusion brownienne idéale. Enfin, l'approche a été appliquée à des coupes de cerveau de souris, permettant une caractérisation quantitative de la diffusion des CCNT dans l'ECS. L'analyse comparative des diffusions rotationnelle et translationnelle a révélé une hétérogénéité marquée des propriétés de diffusion de l'ECS. Par ailleurs, l'ECM a été dégradée enzymatiquement par hyaluronidase : cette dégradation a significativement modifié le comportement diffusif, confirmant le rôle crucial de la matrice comme barrière physique régulant la diffusion moléculaire au sein de l'ECS. Dans l'ensemble, cette thèse propose un cadre expérimental et analytique intégré pour la caractérisation de microstructures biologiques complexes, en utilisant la diffusion rotationnelle et translationnelle de molécules uniques comme observables physiques quantitatives.