Description du sujet de thèse

Titre de la thèse : Etude et suivi des performances des détecteurs des NectarCAMs pour l'observatoire CTAO.

Le futur observatoire CTAO (Cerenkov Telescope Array Observatory) étudiera les sources astrophysiques de photons gamma de très haute énergie, dans la gamme 0.01 - 100 TeV. Ces sources (trous noirs, étoiles à neutrons, restes de supernovæ, vents de pulsar...) accélèrent, à des énergies ultrarelativistes, des particules qui produisent ces photons extrêmes lors de leurs interactions avec le milieu environnant. Les objectifs de l'observatoire CTAO sont de comprendre les mécanismes d'accélération à l'œuvre dans ces sources et d'étudier l'impact des particules accélérées (rayons cosmiques) sur le milieu interstellaire [1]. Pour cela, CTAO utilisera des télescopes Cerenkov [2] avec des caméras situées dans le plan focal de leurs miroirs. Neuf télescopes utiliseront des caméras NectarCAM [3] dont les détecteurs ont été conçus et développés à l'IRAP [4]. Chaque caméra NectarCAM sera équipée de 1855 détecteurs. Lors de la phase de production des caméras (2025-2030), les détecteurs qui seront fabriqués par un industriel, seront validés à l’IRAP puis installés et testés sur les NectarCAM à l’IRFU (Saclay). Après validation par l’équipe NectarCAM, les caméras seront livrées à CTAO et installées sur le site de l’observatoire, à La Palma (Canaries, Espagne).

L'objectif de la thèse est d’étudier et de suivre les performances des détecteurs depuis leurs validations à l’IRAP jusqu’à leurs utilisations à La Palma, en passant par la phase de calibration de la caméra à l’IRFU. Il s’agira de s’assurer que les spécifications scientifiques (résolutions angulaire, temporelle et spectrale) des caméras NectarCAM sont respectées à toutes les étapes, en particulier lors des observations des sources astrophysiques pendant les phases de leur mise en service (commissioning) sur le site de l’observatoire. La connaissance des performances individuelles de chaque détecteur en fonction de leurs paramètres de réglage (haute tension, contrôle en courant…) est nécessaire pour exploiter correctement les données scientifiques.
Le(la) doctorant(e) devra se familiariser avec le principe de fonctionnement de ces détecteurs. Il(elle) analysera les données prises avec les bancs de tests à l’IRAP ainsi que celles prises par la caméra à l’IRFU, pour mesurer les performances de chaque détecteurs (gain, efficacité quantique, résolution en charge, réponse temporelle, bruit électronique, bruit du ciel…). Le(la) doctorant(e) fera un travail de modélisation physique de la réponse des détecteurs à des photons Cerenkov issues de l’interaction des photons gamma dans l’atmosphère ainsi qu’aux photons optiques du fond du ciel attendus pendant les observations. Ces modèles seront comparés et ajustés aux données mesurées. Le(la) doctorant(e) participera activement à l’observation des sources gamma (nébuleuse du pulsar du Crabe, noyaux actifs de galaxie, novæ) pendant la phase de commissionning. Il(elle) analysera les données pour en extraire les images, les spectres en énergie et les courbes de lumières. Le(la) doctorant(e) participera à l’interprétation des phénomènes astrophysiques observées dans ces sources.
La thèse se déroulera : (a) à l’IRAP (Toulouse) lors des phases d’analyse des données de test des détecteurs (première année) et de commissioning de la caméra (dernière année) et (b) au LLR (Palaiseau) lors de la phase de calibration de la caméra à l’IRFU (seconde année). Les déplacements (réunions de travail, réunions de la collaboration, congrès) seront financés par le budget du projet DetPerfNCAM.

Les résultats des travaux de thèse feront l’objet d’articles dans des journaux spécialisés en instrumentation (e.g. Nuclear Instrumentation & Methods A) en astrophysique (e.g. Astronomy & Astrophysics) et en astroparticules (e.g. Astroparticle Physics). Les logiciels développés par cette étude seront par la suite intégrés dans la « pipeline » de données de l’observatoire CTAO, après validation pendant la phase de commissioning. Ils serviront aussi à assurer le suivi de la qualité des données (DQM pour Data Quality Monitoring) qui est sous la responsabilité du LLR.
Références :
- [1] Acharya et al., 2019, book : Science with the Cherenkov Telescope Array, arXiv:1709.07997v1
- [2] Acharya et al., 2013, Astroparticle Physics, 43, 3
- [3] Glicenstein et al., 2017, AIPC, 1792
- [4] Tsiahina et al., 2021, NIM A, vol. 1007, 165413.

Contexte de travail

La thèse se déroulera en partie (≈2/3) à l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP/CNRS, Toulouse) et en partie (≈1/3) au Laboratoire Leprince Ringuet (LLR/CNRS, Palaiseau). Les responsables scientifiques sont P. JEAN (IRAP) et S. FEGAN (LLR). Ce contrat doctoral sera financé par l’IRAP pour une durée de 3 ans. L’école doctorale de rattachement sera l’ED SDU2E (Sciences de l’Univers, de l’Espace et de l’Environnement) de Toulouse.
Les encadrants de la thèse sont tous des membres de la collaboration NectarCAM/CTAO et coopèrent sur ce projet depuis plus de 10 ans. L’équipe encadrante de l’IRAP est constituée de trois chercheurs et d’un ingénieur. Elle est en charge de fournir les détecteurs des NectarCAM. L’équipe encadrante du LLR (deux chercheurs et un post-doctorant) est responsable du suivi de la qualité des données (Data Quality Monitoring) des caméras pendant les phases de calibration et d’observations.
Les caméras NectarCAM sont composées de sous-systèmes qui ont été conçus, développés et produits essentiellement par des laboratoires français du CNRS/INSU, CNRS/IN2P3 et du CEA. Ces caméras sont la contribution majeure de la France à l’observatoire CTAO.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Des déplacements sont à prévoir pour : un séjour d’un an au LLR (Palaiseau) pour le suivi des calibrations de la caméra, des réunions de travail, des réunions des collaborations NectarCAM et CTAO, suivre le commissionning de la caméra NectarCAM à La Palma (Espagne).
L’IRAP est une Zone à Régime Restrictif.

Informations complémentaires

Le(la) candidat(e) devra être titulaire d'un master 2 en Physique et/ou Astrophysique (ou équivalent) en ayant fait un stage dans ces thématiques. Il(elle) devra avoir de solides connaissances en physique, en analyse de données, en programmation et de bonnes aptitudes de communication orale et écrite en français et en anglais pour présenter ses résultats (publication, congrès, réunions).

Pièces pour déposer le dossier :
(a) un CV, (b) une lettre de motivation, (c) les notes du Master 2 (ou équivalent), (d) deux lettres de recommandation au minimum : une lettre du responsable de la formation Master 2 (ou équivalent) et une lettre de l'encadrant de stage Master 2 (ou de la personne avec qui le(la) candidat(e) a travaillé).