Sujet de thèse pour la rentrée 2019

Observations multi-messagers avec le télescope KM3NeT : recherche de neutrinos de haute énergie en coïncidence avec des transitoires astrophysiques

Proposition de thèse 2019 - 2022

Laboratoires
• SUBATECH - UMR 6457 (IMT Atlantique/CNRS-IN2P3/Université de Nantes) Adresse : 4 rue Alfred Kastler - La Chantrerie - BP 20722 - 44307
NANTES
• CPPM - UMR 7346 (CNRS-IN2P3/Aix-Marseille Université) Adresse : 163,
avenue de Luminy - Case 902 - 13288 Marseille cedex 09
Début: Octobre 2019

Encadrement
Lilian Martin - SUBATECH - Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Richard Dallier - SUBATECH - Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
Damien Dornic - CPPM - Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.

Contexte
L’astronomie multi-messagers des phénomènes transitoires et violents se produisant dans l'Univers est actuellement un domaine en très fort développement dans les disciplines liées à l'étude et à la compréhension de l'Univers. L'observation concomitante en 2017 de contreparties électromagnétiques (visible, X, gamma) aux ondes gravitationnelles associées à la fusion de deux étoiles à neutrons et, un peu plus récemment, l'identification de neutrinos de haute énergie associés à des signaux électromagnétiques (X, gamma) en provenance d'un noyau actif de galaxie connu en sont les actualités les plus démonstratives. Ces observations combinent tous les messagers issus d’une même source astrophysique, comme les ondes électromagnétiques (de la radio, visible, jusqu’au plus hautes énergies en X et gamma), les ondes gravitationnelles, mais aussi sous la forme de particules (rayons gamma, rayons cosmiques, neutrinos). Ces phénomènes cataclysmiques sont parmi les plus violents de l’univers au cours desquels des quantités extraordinaires d'énergie sont relâchées pendant des durées très courtes. Parmi ces phénomènes, on trouve entre autres les sursauts gamma (Gamma Ray Burst - GRB), les blazars (classe de galaxies à noyau actif - AGN) et les sursauts radio rapides (Fast Radio Burst - FRB). Tous ces objets sont considérés comme de possibles accélérateurs cosmiques et donc sources de rayons cosmiques euxmêmes à l'origine de neutrinos de très haute énergie. Contribuer à de telles observations multi-messagers est un des objectifs majeurs des télescopes à neutrinos existant comme ANTARES ou IceCube, ou en cours de construction comme KM3NeT. Les laboratoires Subatech et CPPM sont engagés dans la construction et l'exploitation des télescopes à neutrinos ANTARES (actuellement en exploitation) et KM3NeT (en cours de construction) en Méditerranée. Ces infrastructures gigantesques ont pour but d’une part la découverte et l’observation des sources de neutrinos de très haute énergie dans l’Univers, et d’autre part la détermination des propriétés fondamentales des neutrinos, notamment les paramètres d'oscillations. Ces collaborations internationales sont constituées de plus de 250 personnes appartenant à près de 50 instituts européens, marocains, sud-africains et australiens, et le candidat retenu sera de fait membre des deux collaborations.

Description du sujet
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons dans un premier temps un travail d'analyse des données d'ANTARES sur ces sources transitoires. Il consiste à élaborer et appliquer des sélections adéquates sur les données enregistrées par ce télescope pour isoler des neutrinos en coïncidence angulaire et temporelle avec les signaux transitoires issus de catalogues de sources astrophysiques. Cette étude sera prolongée par un travail d'estimation de la sensibilité du télescope KM3NeT à la détection de neutrinos émergeant de ce type de sources. Il s'agira ici d'effectuer des analyses sur la base de données générées par des codes Monte-Carlo permettant la simulation de la réponse du télescope à l'arrivée de neutrinos. Elles seront naturellement poursuivies par l'analyse des premières données enregistrées par KM3NeT. Une grosse partie du travail consistera également à comprendre les mécanismes de production de ces phénomènes transitoires, au travers d'une veille bibliographique, et à estimer les flux de neutrinos attendus à partir d'un choix de modèles décrivant les phénomènes. Enfin, l'équipe envisage également de s'engager sur un ou des programmes d'observation et de surveillance systématique de phénomènes transitoires en radio ou dans le domaine optique, et de mettre en place les alertes nécessaires qui sont échangées lors de l'occurrence de ces événements. Cet investissement peut conduire à une contribution significative à l'analyse des données des instruments concernés.

Conditions particulières
Cette thèse étant menée en co-encadrement entre Subatech (Nantes) et le CPPM (Marseille), il sera nécessaire d'harmoniser le temps passé dans les deux laboratoires. Si la résidence administrative principale de l'étudiant(e) est Nantes, il faudra envisager des périodes de plusieurs mois consécutifs de travail à Marseille. De plus, l'appartenance à la collaboration KM3NeT engendre un certain nombre de tâches de service dues (surveillance, calibration, contribution à la construction des détecteurs et à leur mise en place…) et la participation à plusieurs réunions de travail et de collaboration internationales au cours de l'année. Le/la candidat(e) retenu(e) devra avoir suivi une formation de niveau M2 en physique, physique des particules ou astrophysique et présenter une certaine attirance pour l'instrumentation, la programmation, l'informatique scientifique et l'analyse de données.