Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2024
Quotité de travail : Temps complet Description du sujet de thèse

Le/ la doctorant(e) sélectionné(e) travaillera sur l'instrumentation associée aux workpackages français de JEM-EUSO, à savoir la production, les tests et l'étalonnage absolu des unités de détection de la caméra à fluorescence, ainsi que les tests et l'étalonnage de l'instrument intégré et la campagne de vol. L'optimisation des paramètres de photodétection et de déclenchement bénéficiera également de l'analyse des données de la mission MINI-EUSO, notamment en ce qui concerne les objectifs multidisciplinaires (TLEs : ELVES et Blues, météores, SQM). Enfin, le/la doctorant(e) participera au développement d'une instrumentation innovante pour la recherche de la Matière à Quark Etrange (MQE), dans le cadre de la mission SQM-ISS qui a été sélectionnée par l'ESA dans le cadre du programme de réserve OSIP, et dont un prototype volera sur EUSO-SPB3. Les deux développements ont une composante instrumentale importante dans le domaine de la photodétection, avec des MAPMT en mode de comptage de photoélectrons simples et d'intégration de charge (EUSO-SPB3) et avec des SiPM lisant des scintillateurs plastiques (SQM-ISS).
Le calendrier optimal de la thèse proposée, compte tenu du calendrier de la mission, permettra au/ à la doctorant(e) de développer de précieuses compétences instrumentales et de suivre toutes les étapes de la mission : simulations de la douche, réponse de l'instrument et simulations de déclenchement, production des unités de détection, tests et étalonnage en laboratoire, intégration, tests sur le terrain, campagne de vol et première analyse des données.

Contexte de travail

L'un des principaux efforts actuels en astrophysique des hautes énergies et en physique des astroparticules est le développement de l'astronomie multi-messagers, qui vise à étudier l'univers et à explorer la physique fondamentale par le biais de quatre canaux complémentaires : les photons, les neutrinos, les ondes gravitationnelles et les rayons cosmiques. Ces derniers sont observés depuis plus d'un siècle mais restent très difficiles à observer en tant que messagers cosmiques en raison de leur charge électrique, qui entraîne des déviations dans les champs magnétiques intermédiaires entre leurs sources et la Terre, ce qui les isotrope essentiellement et empêche l'identification directe (par pointage) de leurs sources.
Les rayons cosmiques de très haute énergie (UHECR), dont l'énergie macroscopique peut atteindre 1020 eV et au-delà, présentent un intérêt particulier. À de telles énergies, les déflexions magnétiques sont fortement réduites, mais le prix à payer est un flux extrêmement faible, ~1 particule/m2/milliard d'années, nécessitant de très grands observatoires tels que Auger (3000 km2, hémisphère sud) et Telescope Array (700 km2 en cours d'extension à 2500 km2, hémisphère nord). Ces observatoires au sol ont permis des progrès significatifs au cours des deux dernières décennies, mais se sont révélés insuffisants pour découvrir les sources et élucider l'origine des UHECR, qui restent les principaux objectifs dans ce domaine. Une évaluation approfondie de la situation a conduit la communauté internationale concernée à publier un livre blanc détaillé et exhaustif (Coleman, et al., 2023) avec des exigences clés pour de nouveaux progrès, soulignant la nécessité d'une approche complémentaire impliquant un observatoire UHECR basé dans l'espace pour détecter la lumière de fluorescence des soi-disant pluies aériennes étendues induites par l'interaction des UHECR dans l'atmosphère.
La collaboration JEM-EUSO (Joint Exploratory Missions for an Extreme Universe Space Observatory) anticipe cette situation et développe la route spatiale vers l'étude UHECR depuis environ 15 ans (par exemple, Parizot, et al., 2023). L'avantage évident d'un observatoire spatial en orbite terrestre basse est d'opérer à ~400 km de l'atmosphère (tout en maintenant une faible absorption) pour couvrir ~200 000 km2 d'atmosphère dans son champ de vision, ce qui augmente considérablement les capacités d'observation aux énergies extrêmes. Un autre avantage essentiel est la couverture quasi-uniforme de l'ensemble du ciel par un seul instrument, ce qui permet de résoudre les conflits existants entre les spectres d'énergie mesurés depuis le sol dans différents hémisphères.
La collaboration JEM-EUSO (10 pays, 160 membres) a déjà développé trois missions de ballons stratosphériques : EUSO-Ballon (CNES, 2014), EUSO-SPB (NASA, 2017), EUSO-SPB2 (NASA, 2023), et une mission spatiale, MINI-EUSO, en opération à bord de l'ISS depuis 2019. En raison d'une fuite importante survenue sur le dernier ballon à superpression (SPB) fourni par la NASA, le vol d'EUSO-SPB2 a été interrompu après 2 jours (au lieu des 100 prévus), et ses principaux objectifs scientifiques n'ont donc pas pu être atteints. Un nouveau vol a donc été proposé par la NASA (printemps 2027), destiné à être le dernier avant une mission spatiale UHECR à grande échelle. La collaboration JEM-EUSO préparera cette nouvelle mission, EUSO-SPB3, avec une conception améliorée impliquant un télescope inclinable avec 2 caméras sur la même surface focale (une caméra à fluorescence avec MAPMTs pour détecter les douches UHECR, et une caméra Cherenkov avec SiPMs pour détecter les douches presque horizontales le long de leur axe, provenant des rayons cosmiques de haute altitude et des neutrinos dits « d'écrasement de la Terre »). Ceci impliquera la participation clé des équipes françaises soutenues par le CNES depuis 2011 et la mission inaugurale EUSO-Balloon (CNES 2014).

Contraintes et risques

Des déplacements en France ou à l'étranger sont à prévoir.
Aucun risque particulier.