Avant la thèse

Bien que j'aie depuis longtemps voulu devenir chercheur, je souhaitais dans un premier temps acquérir de solides compétences techniques. Le choix de l'Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs (ENSI) de Caen s'est révélé déterminant de par les forts liens entre cette école et le monde de la recherche. Ainsi, ayant suivi la formation de la filière «Instrumentation» et de la spécialité «Applications et détection des rayonnements ionisants», j'ai pu réaliser plusieurs projets au sein du Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) de Caen. Cette expérience m'a conforté dans l'idée de devenir chercheur et, pendant ma troisième année à l'ENSI, j'ai suivi les enseignements du DEA de physique nucléaire de l'Université de Caen.

À la fin de cette formation et comme l'astronomie m'a toujours passionnée, j'ai saisi l'opportunité d'effectuer un stage dans le domaine de l'astronomie gamma au Groupe d'Astroparticules de Montpellier (le GAM, aujourd'hui devenu le Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules, LPTA), sur l'expérience AMS et j'ai pu poursuivre en thèse avec un financement BDI.

La thèse

Mon travail de thèse comporte deux grandes parties. La première concerne le détecteur AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer), qui sera installé sur la Station Spatiale Internationale début 2009. Cette expérience, fruit d'une grande collaboration internationale, est dédiée à l'étude des rayons cosmiques chargés mais son détecteur de traces au Silicium et son calorimètre électromagnétique lui permettront d'étudier les photons gamma entre 1 GeV et 300 GeV.

Après avoir participé à la prise des données des tests sur faisceau du modèle d'ingénierie du calorimètre électromagnétique au CERN pendant l'été 2002, j'ai participé à leur analyse, dont les résultats seront publiés dans Nuclear Instruments and Methods. Je me suis plus particulièrement attaché à l'étude de la stabilité du détecteur dans le temps, ainsi qu'à la comparaison entre les données du test et les résultats de la simulation.

Ensuite, j'ai développé un programme de simulation rapide dans le but d'évaluer les performances d'AMS pour la détection de gamma produits par différents types de sources astrophysiques. J'ai conçu et développé en grande partie ce programme, utilisant une architecture objet. Ce travail a montré qu'en un an, AMS sera capable de détecter les sources (blazars et pulsars) les plus brillantes du troisième catalogue EGRET dans une gamme d'énergie comprise entre 1 GeV et 300 GeV. La simulation rapide a aussi permis d'évaluer les capacités de détection des photons produits par un halo de matière noire supersymétrique au Centre Galactique. Différents modèles supersymétriques et différents profils de densité du halo ont été étudiés, et l'étude a montré qu'en trois ans, AMS sera capable d'exclure certains modèles.

La deuxième grande partie de la thèse touche à la physique au-delà du modèle standard et décrit une analyse temporelle fine des courbes de lumières de douze sursauts gamma en vue de l'obtention d'une limite sur l'échelle de gravitation quantique. Certains modèles de gravitation quantique prévoient en effet une variation de la vitesse des photons en fonction de leur énergie.

J'ai donc analysé les données du satellite HETE-2 (High Energy Transient Explorer) pour douze sursauts avec mesure du redshift. L'analyse en ondelettes, type d'analyse adaptée à l'étude des signaux non-stationnaires, a été utilisée pour débruiter les courbes de lumières et repérer leurs singularités. Les différentes sources d'erreur systématiques ont été étudiées et au final, une limite E > 10¹⁵ GeV a été obtenue. L'article qui décrit cette étude et donne ses résultats a été soumis.

En parallèle avec ce travail de recherche, j'ai eu l'opportunité de donner des heures de cours d'informatique industrielle pour une formation d'ingénieurs et de participer à diverses opérations de vulgarisation dans le cadre de «Sciences en fête».

Après la thèse

En octobre 2005, j'ai commencé à travailler sur le site de DESY Zeuthen (Allemagne) dans le cadre d'un post-doctorat de deux ans sur le détecteur de neutrinos IceCube. Cette expérience, fruit d'une collaboration de 500 chercheurs, est actuellement en cours de construction au Pôle Sud. Lorsqu'elle sera achevée, elle sera constituée de quatre-vingts lignes portant chacune soixante modules optiques. Ces modules, constitués d'un photomultiplicateur et de l'électronique associée, sont destinés à détecter la lumière Cherenkov produite lors de l'interaction des neutrinos dans la glace et par le passage des particules secondaires à proximité ou dans le volume instrumenté.

Environ un tiers des modules de l'expérience IceCube est produit à Zeuthen et ces modules sont testés sur place dans une chambre froide avant d'être expédiés au pôle Sud. C'est ce qu'on appelle les FAT (Final Acceptance Tests). Au début de mon contrat, j'ai pris la responsabilité des FAT pour le site de Zeuthen.

Pendant chaque FAT, soixante modules sont testés simultanément. Ils sont connectés de manière à simuler une ligne du détecteur IceCube. Un FAT dure un peu plus de deux semaines pendant lesquelles les modules sont soumis à une série de tests systématiques de l'électronique. Ils sont aussi calibrés une première fois à cette occasion. La série de tests est répétée à différentes températures (-45°C au minimum). À la fin d'un FAT, les résultats sont analysés pour déterminer l'origine des pannes éventuelles.

Une fois expédiés au Pôle, les modules sont testés à nouveau avant d'être mis en place dans la glace. Ces tests sont beaucoup plus courts et permettent d'une part d'isoler les quelques modules ayant souffert du transport et d'autre part de calibrer les modules juste avant leur installation. De mi-novembre à mi-décembre 2006, je me suis rendu au Pôle Sud pour installer les équipements, régler les problèmes informatiques et pour tester les premiers modules à devoir être installés cette saison.

L'autre partie de mon activité à DESY concerne la détection des neutrinos électroniques et tauiques de très haute énergie par IceCube. Ces neutrinos engendrent des cascades de particules lorsqu'ils interagissent dans la glace. Or, à haute énergie (au dessus d'environ 20 PeV pour les cascades électromagnétiques), ces cascades peuvent devenir très longues du fait des effets de suppression comme l'effet Landau-Pomeranchuk-Migdal (LPM).

Ce type d'effet n'est actuellement pas pris en compte dans la simulation d'IceCube et je travaille à combler ce manque en collaboration avec un étudiant en thèse. Des paramétrisations des cascades en régime LPM sont obtenues à partir de simulations Monte Carlo et ces paramétrisations sont utilisées dans l'outil de simulation d'IceCube pour déterminer la quantité de lumière Cherenkov produite dans la glace.

À l'heure actuelle, il n'est pas encore possible de dire avec certitude si la prise en compte de l'effet LPM dans les algorithmes de reconstruction permettra une amélioration significative de la sensibilité du détecteur à haute énergie. Quels que soient les résultats, l'analyse des données récentes (2006 et 2007) permettra de donner de nouvelles limites sur les flux de neutrinos astrophysiques de haute énergie. Ce travail devrait s'achever vers octobre 2007, à la fin de la thèse en cours.