While CERN experiments are still working on analysing the data produced by proton--proton collisions at the unprecedented center of mass energy of $\sqrt{s}=13$~TeV, delivered during the last Run 2 data taking period, the predictivity of the Standard Model (SM) of particle physics remains unchallenged by experimental results. So far the measurements of the Higgs boson properties, such as its spin, parity and couplings with other SM particles have confirmed its SM-like nature. While new physics close to the electroweak (EW) scale is theoretically well-motivated, current direct searches all gave null results. Indeed, the excellent performance of the LHC, in terms of delivered luminosity, allowed the ATLAS and CMS experiments to set stringent limits on the presence of new particles well beyond the EW scale, thus worsening the naturalness problem.

The so far nearly SM properties of the 125 GeV Higgs boson and the absence of direct signs of TeV physics beyond the SM go hand in hand, if the new physics scale lies well above the present experimentally probed energies. If so, one would be left with the sole experimental perspective of searching for small deviations within the SM, and with no theoretical explanation of why the new physics should be so unnaturally heavy. There is, however, another logical possibility: new physics may be hidden at lower energies, if sufficiently weakly coupled to the SM.

As a matter of fact, given the limited experimental improvements expected at the energy frontier promised in Run 3, the time has come to reconsider theories that address some of the fundamental questions associated with the EW scale. We aim to explore more in depth their low energy spectrum, that is, the possible new resonances with mass below the EW scale, and couplings with the SM of EW size or smaller. Those are predicted by a variety of SM extensions, i.e. composite models, supersymmetry, axions, dark matter models, to cite few.

The aim of the proposed stage is on one side to analyse signal and background samples, produced with fast simulation of the detector response, to assess the LHC capabilities for various final states for the low mass range at Run 3, on the other to help finalizing the data analysis aimed at searching for new physics with the data collected by ATLAS during Run 2 [1,2].

During its longstanding participation to the ATLAS experiment, the CPPM group has been a key player in the design, construction and commissioning of the trigger system, the tracking and calorimeter detectors, with a recognized leadership of collaboration-wide projects dedicated to $\tau$, photon, and $b$-jet reconstruction and calibration, both offline and at trigger level, to di-photon searches beyond the SM, and measurements of the Yukawa Higgs couplings to bottom and top quarks.

[1] S.~Diglio, L.~Feligioni and G.~Moultaka, ``Stashing the stops in multijet events at the LHC,'' Phys.\ Rev.\ D {\bf 96}, no. 5, 055032 (2017) [arXiv:1611.05850 [hep-ph]].

[2] ATLAS Collaboration, ``Search for the Standard Model Higgs boson decaying into $ b\overline{b} $ produced in association with top quarks decaying hadronically in pp collisions at $ \sqrt{s}=8 $ TeV with the ATLAS detector,'' JHEP {\bf 1605}, 160 (2016) [arXiv:1604.03812 [hep-ex]].

Physics at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organization for Nuclear Research) is the high priority research field of the Particle Physics community worldwide. ATLAS is one of the two general purpose experiments installed at the LHC that discovered a Higgs boson in July 2012, key piece for the understanding of the fundamental interactions and the origin of elementary particle mass. Its physics program extends beyond Higgs property measurements to the search for signs of physics beyond the Standard Model of particle physics.

The ATLAS group of the “Centre de Physique des Particules de Marseille” (CPPM) is deeply involved in this scientific program, in particular linked to its expertise of the electromagnetic calorimeter. The latter is a key component for the identification and energy measurement of electrons and photons, which were at the core of the Higgs boson discovery. It is also at the forefront of this boson studies and of the supersymmetry searches in the ongoing data taking campaign, so called “Run 2”, with major consequences in several analyses with leptons in their final states. Moreover, for the upgrade of the accelerator performances foreseen in 2021, this calorimeter has a major ongoing development program to dramatically upgrade its trigger and readout to which the CPPM group actively contributes.

In the Standard Model, the Higgs boson is highly coupled to the top quark, the known particle with the largest mass. The only way to directly measure this Higgs-top coupling (called top Yukawa coupling) is to observe the associated production of a Higgs boson with top quarks. This will be accessible for the first time with the full “Run 2” data taken between 2015 and 2018 from LHC proton-proton collision at a 13 TeV center of mass energy. This key measurement, and more generally the Higgs properties studies are of high importance since they would allow to confirm that the observed boson is the Standard Model Higgs boson, or could reveal New Physics.

The subject of this M2 internship is to participate in the measurement of the properties of the Higgs boson in the final states with several leptons (electrons or muons) in particular by relying on multivariate analysis tools. These studies will be done on the full “Run 2” data set. This should lead, by summer 2020, to get the best sensitivity on some of the Higgs properties in particular its Yukawa coupling. Furthermore, depending on the interests of the student, the participation to the commissioning and performance measurement of a new trigger readout system being installed on the detector as part of the electromagnetic calorimeter upgrade program is also possible.

In this framework, the student may have to go to CERN and the research work will combine physics analysis on real and simulated data as well as studies and operation of experimental systems. This internship can naturally then evolve to a thesis (see the marwww.in2p3.fr web site for its description)

Physics at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organization for Nuclear Research) is the high priority research field of the Particle Physics community worldwide. ATLAS is one of the two general purpose experiments installed at the LHC that discovered a Higgs boson in July 2012, key piece for the understanding of the fundamental interactions and the origin of elementary particle mass. Its physics program extends beyond Higgs property measurements to the search for signs of physics beyond the Standard Model of particle physics. The upgrade of the LHC is a crucial part of the European strategy for particle physics. The second phase of the LHC upgrade will happen in 2025 and will increase by an order of magnitude the instantaneous luminosity leading to the High Luminosity LHC (HL-LHC). The increased luminosity puts more stringent requirements on the LHC detectors electronics and data processing. The ATLAS detector will undergo a major update to be adapted to the increasing luminosity at the HL-LHC, hence to the dramatic increase of produced data. In order to treat on the fly with advanced algorithm this huge amount of data (more than 500 Tb/s), we propose to deploy advanced technologies based on state-of-the-art digital electronics running AI algorithms.

Artificial Intelligence (AI) algorithms and machine learning techniques are nowadays one of the most expending fields in research and in the industry. The use of AI in experimental particle physics is not new but these algorithms are only used, for now, in later stages of data analysis such as the analyses leading to the recent discovery of the Higgs boson coupling to third generation quarks [1][2] for which the ATLAS group of the “Centre de Physique des Particules de Marseille” (CPPM) had a major contribution, namely the development of AI techniques for these analyses. For data acquisition and trigger applications, relatively simple algorithms are imbedded in the hardware to process on the fly the huge data flow in a timely manner. However, with the next generation of high-end Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), that include large increase of available processing and memory units, it is becoming possible to implement complex AI algorithms inside these FPGAs and process on the fly big data flows with dramatically increased selection performance.

The ATLAS group of the “Centre de Physique des Particules de Marseille” (CPPM) is deeply involved in this scientific program, in particular linked to its expertise of the electromagnetic calorimeter. The latter is a key component for the identification and energy measurement of electrons and photons, which were at the core of the Higgs boson discovery. Moreover, for the upgrade of the accelerator performances foreseen in 2021, this calorimeter has a major ongoing development program to dramatically upgrade its trigger and readout to which the CPPM group actively contributes.

The main purpose of this project is to develop AI and machine learning techniques to dramatically improve big data processing effectiveness such the one needed in high pileup environment at the LHC. The main challenge is to efficiently implement these techniques into the dedicated data acquisition electronics, based on FPGAs, which are used for signal processing in particle physics detectors such as the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter and which are under development by the ATLAS CPPM group.

The signals from the LAr calorimeter are processed through a chain of electronic boards in order to extract the energy deposited in the calorimeter. The new electronic chain for the second phase of the LHC upgrade is described in [3]. An excellent resolution on the deposited energy and an accurate detection of the deposited time, in the blurred environment created by the pileup, is crucial for the operation of the calorimeters and of the full ATLAS detector to enhance its physics discovery potential. The computation of the deposited energy and timing is currently done using optimal filtering algorithms [4]. These filter algorithms are perfectly adapted for ideal situations with low noise. However, with the increased luminosity and thus the noise from pileup, the performance of the filter algorithms decreases significantly while no further extension nor tuning of those could recover the loss in performance.

AI algorithms have proven to be very powerful tools in data processing and provide the most interesting candidate to recover the performance of filter algorithms in high noise conditions. FPGAs, which are designed to efficiently treat a large amount of data in a very short time, are very much adapted to the online data processing needed at the LHC especially at the trigger level. FPGAs had, up to recently, relatively limited amount of computational resources, however high-end FPGAs have now enough resources to accommodate the needs of advanced AI and deep learning algorithms. This allows to combine the performance of AI algorithms with the speed and high bandwidth of the FPGAs to efficiently process the big data flow by electronic boards.

The backend electronic boards for the second phase of the upgrade of the LAr calorimeter (called LASP) will use the next high-end generation of FPGAs. Based on the unique skills and expertise present at CPPM in digital electronics, a prototype of these boards is currently being developed at CPPM and will be finalized in 2020. This prototype will be equipped with two high-end last generation FPGAs from INTEL/ALTERA (Worldwide leader in FPGA production and part of the INTEL group [5]). The research and development (R&D) program of these boards and their production is already financed as part of the government “Très Grandes Infrastructures de Recherche” (TGIR) program for the upgrade of the ATLAS detector. The aim of this project is to take advantage of this unique opportunity to develop the necessary tools enabling the embedding of AI algorithms on these boards and to further explore the outstanding capabilities opened by these developments for new applications. This can prove to be a breakthrough that can extend to many areas facing big data processing in particle physics, especially at the trigger level, and in the industry.

The objectives of this project can be divided into 6 main points: 1. Develop AI methods adapted to the specific problem of signal processing to compute the deposited energy in the calorimeter in high noise conditions. 2. Optimize these methods and compare them with the existing filter algorithms using simulated data that reflect the conditions of the LHC after the upgrade. 3. Adapt the algorithms for processing on FPGAs and optimize the needed processing power while keeping high performance. 4. Investigate and adapt the recent tools that are under developments for converting AI algorithms into HDL code that is used to program FPGAs. 5. Test the performance of the algorithms in-situ using the LASP board prototype currently under construction at CPPM. 6. Generalize the developed tools and study their wider usage for trigger processing and for applications outside the particle physics field including industrial applications.

Although this project is an experimental particle physics project, its reach extends to any field profiting from big data processing using AI algorithms on specific hardware such as FPGAs. This project provides a unique opportunity to enhance the multidisciplinary and industrial applications of the research and development programs at CPPM. Due to the promising industrial applications, a collaboration with Nexvision [6], a midsize company based in Marseille and leader in embedded civil security systems, is developed. Support from the Aix Marseille University Initiative of Excellence program, so-called AMIDEX, is already obtained for this project. Using the AMIDEX funding, a new postdoc has recently joined the CPPM group in January 2020 to work on this project for 2 years.

In this framework, the subject of this M2 internship is to participate to the development of the needed AI algorithms with the CPPM group in close interaction with the postdoc. He will participate to study the performance of these algorithms after their implementation on FPGAs with the help of electronic engineers at CPPM. During his internship, the student may have to go to CERN to interact with experts and present his work. The research work will combine analysis on real and simulated data as well as studies and operation of experimental systems. This internship can naturally then evolve to a thesis (see the marwww.in2p3.fr web site for its description)

Références bibliographiques:

[1] The ATLAS Collaboration, Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector, Phys. Lett. B 784 (2018) 173-191; arXiv:1806.00425

[2] The ATLAS Collaboration, Observation of H->bb decays and VH production with the ATLAS detector, Phys. Lett. B 786 (2018) 59-86; arXiv:1808.08238

[3] The ATLAS Collaboration, Technical Design Report for the Phase-II Upgrade of the ATLAS LAr Calorimeter, CERN-LHCC-2017-018, https://cds.cern.ch/record/2285582

[4] Cleland, W.E. and Stern E.G., Signal processing considerations for liquid ionization calorimeters in a high rate environment. NIM 338 p. 467. 1994

[5] ALTERA, world leading company in FPGA production recently acquired by INTEL, https://www.intel.com/content/www/us/en/products/programmable.html

[6] NEXVISION SAS, French company (based in Marseille) specialized in electronic reference design, https://nexvision.fr/

Dans l'évolution récente de la physique des particules le LHC joue un rôle primordial. En particulier, son point d'orgue a été la découverte du boson de Higgs neutre et d'une masse de 125 GeV par les expériences ATLAS [1] et CMS [2] en 2012. Les propriétés de ce boson sont actuellement étudiées avec la plus grande précision possible qui est limitée par des incertitudes systématiques expérimentales et théoriques liées à l'environnement hostile (proton non élémentaires, sensibles à l'interaction forte, empilement des événements, radioactivité,...) du LHC. Par contre et malgré des recherches très actives, les expériences ATLAS et CMS ne trouvent pas de signe de physique au-delà du Modèle Standard. Le programme du LHC va se poursuivre jusqu'en 2034 à $\sqrt{s}=14 TeV$ avec le Run3 cumulant L=300/fb de données de 2021 à 2023 et les Run4-5 (HL-LHC) récoltant L=3000/fb de 2026-2037. Bien qu'il reste un potentiel de découverte important au LHC, la communauté de la physique des particules envisage déjà la suite. Il y a deux objectifs complémentaires: le premier consiste à faire des mesures beaucoup plus précises sur le boson de Higgs par des collision $e^{+}e^{-}$ à haute intensité, le second consiste à rechercher de la nouvelle physique avec des collisions de protons à la plus grande énergie dans le centre de masse (root_s) qui soit envisageable avec des technologies proche de la maturité. Les principaux projets à l'étude se classent en deux catégories: des collisionneurs linéaires (ILC, CLIC) et des collisionneurs circulaires (FCC-ee, CEPC, FCC-hh, SppC). Ce stage propose de travailler sur le FCC-ee dont le programme prévoit des runs à haute intensité à root_s=M_Z, 2*M_W, M_H+M_Z et 2*M_t. Nous proposons une simulation de la recherche d'un boson de Higgs chargé dans le canal suivant: e+ + e- -> H+/-[-> W+/-(->l+/-nu) + h(->bb) ] + nu_e + e à root_s=240 et 365 GeV. L'étudiant(e) effectuera une analyse permettant d'évaluer la sensibilité du FCC-ee à ce signal en présence de tous les processus de bruit de fond. Cette étude sera réalisée pour différentes hypothèses de masse du boson de Higgs chargé et avec différentes hypothèses de désintégration: H+/- -> W+/- + H125 ou H+/- -> W+/- + h. Dans le premier cas le boson de Higgs chargé se désintègre dans le boson H125, alors que dans le second cas il se désintègre en un boson de Higgs également neutre mais plus léger, noté h. Ces scénarios seront étudiés dans les modèles avec un secteur de Higgs étendu par l'ajout soit d'un doublet [3], soit d'un triplet [4-6] de Higgs. Les sensibilités du FCC-ee et du HL-LHC à ce type de signaux seront comparées.

Références
------------ [1] Observation of a new particle in the search for the standardmodel Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, ATLAS Collaboration, Phys. Lett. B716(2012) 1, arXiv:1207.7214[hep-ex] [2] Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMSexperiment at the LHC, CMS Collaboration, Phys. Lett. B716(2012) 30, arXiv:1207.7235[hep-ex] [3] Charged Higgs boson in the $W^\pm$ Higgs channel at the LHC, R. Enberg et al., Nucl.Phys.B893 (2015) 420, arXiv:1412.5814[hep-ph] [4] DOUBLY CHARGED HIGGS BOSONS, H. Georgi and M. Machacek, Nucl.Phys.B262(1985) 463-477 [5] Higgs Boson Triplets With $M_{W} = M_{Z}cos\theta_{W}$, M. Chanowitz and M. Golden, Phys.Lett.165B(1985) 105-108 [6] Higgs triplets in the standard model, J. Gunion, R. Vega and J. Wudka, Phys.Rev.D42 (1990) 1673-1691

Being forbidden in the Standard Model (SM) of particle physics, lepton flavor violating decays are among the most powerful probes to search for physics beyond the SM. In view of the recent anomalies seen by LHCb on tests of lepton flavor universality, the interest of tau lepton flavor violating decays has been greatly reinforced. In particular, several new physics models predict branching fractions of $\tau \to \mu\mu\mu$ and $tau \to \mu\gamma$ just below the current experimental limits. The Belle II experiment located at KEK, Japan, has just started physics data taking, aiming at collecting 50 times more data than its predecessor, Belle, by 2027. Thanks to its clean environment and high $\tau\tau$ cross section, it provides an ideal environment to study tau decays. The goal of this internship is to perform a sensitivity study of the $tau \to \mu\mu\mu$ decay using the simulated data. The analysis code is based on ROOT and python. Multivariate methods will be studied to optiimze the analysis performances.

La matière noire est une des grandes énigmes actuelles de la physique fondamentale. En effet, sa contribution à la masse totale de l'Univers est de 85% mais elle ne peut être expliquée dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules (MS). Plusieurs candidats existent pourtant dans les théories au-delà du MS : c'est le cas du WIMP (Weakly Interactive Massive Particle), un des candidats les mieux motivés car il permet de résoudre le problème de stabilité de la masse du boson de Higgs dans le MS.

Si la masse du WIMP est O(100) GeV, il a une densité compatible avec les observations cosmologiques. Les expériences recherchant la matière noire utilisent ainsi le halo de notre galaxie comme source potentielle de WIMPs. Depuis 2010, la technologie de détection la plus performante repose sur la mesure de la lumière de scintillation émise lors de la diffusion d'un WIMP sur un atome de liquide noble - argon ou xénon. L'expérience DarkSide-20k, située à 2 km sous terre au laboratoire du Gran Sasso en Italie, est la deuxième génération de détecteurs à argon liquide. Elle utilisera une cuve remplie de 50 tonnes d'argon, lui permettant d'avoir l'une des meilleures capacités de découverte des WIMPs au niveau mondial.

La prise de données devrait commencer en 2023. La phase actuelle est consacrée à la réalisation et l'exploitation d'un prototype, de taille réduite par rapport au détecteur final, mais contenant la technologie qui sera utilisée pour DarkSide-20k. Ce stage propose de participer à l'analyse des données de ce prototype, étape essentielle pour valider les concepts utilisés pour le détecteur final.

Quelques évènements seulement étant attendus par an et par tonne d'argon liquide, une réduction drastique du bruit de fond et une très bonne connaissance du signal obtenu sont cruciales. Cela peut être obtenu grâce à des sources radioactives imitant le signal et le bruit de fond. Dans ce cadre, l'analyse des données du prototype, dont la prise de données est actuellement en cours au CERN à Genève, permettra de mieux préciser les contours du détecteur final et à l'étudiant(e) de se familiariser avec les problématiques de recherche rencontrées par l'expérience. En outre, la circulation des sources radioactives autour de DarkSide-20k est également en préparation au CPPM et l'étudiant(e) pourra participer à la réalisation d'une maquette permettant de finaliser la conception du détecteur final.

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Dark matter is today one of the main puzzles in fundamental physics. Indeed, its contribution to the total mass of the Universe is 85%, but it cannot be explained in the framework of the Standard Model (SM) of particle physics. Several candidates exist in theories beyond the SM, and the WIMP (Weakly Interactive Massive Particle) is one of the best motivated of these candidates, as it allows to also solve the SM hierarchy problem (stability of the Higgs boson mass).

If the WIMP mass is O(100) GeV, its density in the Universe is compatible with cosmological observations. Experiments searching directly for dark matter thus use our galaxy halo as a potential source of WIMPs. Since 2010, the most sensitive technology is based on the measurement of the scintillation light from the scattering of a WIMP on a liquid noble atom – argon or xenon. The DarkSide-20k experiment, located 2 km underground in the Gan Sasso laboratory in Italy, is the second generation of liquid argon detectors. It will use 50 tons of highly purified argon, allowing a world leading discovery potential for WIMPs.

The data taking should start in 2023. The actual work is dedicated to the realization and the exploitation of a prototype, of reduced size compared to the final detector but using all technologies foreseen for DarkSide-20k. The goal of this internship is to participate to the analysis of the data from this prototype, which is a crucial step to validate the concepts used for the final experiment.

As only a few events are foreseen per year and per liquid argon ton, a drastic reduction of the background and a very good knowledge of the signal are crucial. This can be achieved thanks to radioactive sources mimicking the signal and the background. The analysis of the prototype data, whose data taking is ongoing at CERN in Geneva, will thus allow to shape more precisely the final detector, and will allow the student to get more familiar with the experimental problematic. In addition, the circulation of the radioactive sources around DarkSide-20k is in preparation at CPPM, so the student will be able to participate to the realization of a mockup that will allow to finalise the detector concept.

CTA (Cherenkov Telescope Array) is a worldwide project to construct the next generation ground based very high energy gamma ray instrument [1]-[2]. CTA will use more than hundred Imaging Air Cherenkov Telescopes of three different sizes (mirror diameter of 4 m, 12 m and 23 m) deployed on two sites, one on each hemisphere (La Palma on the Canary Islands and Paranal in Chile). The CTA unconventional capabilities will address some of the most intriguing questions of astrophysics such as the origin of very high energy galactic cosmic rays. The observatory construction is foreseen in 2021-2025 but the first large size telescope (LST1) is already installed and in preproduction phase in La Palma. This telescope has a key role in the definition and validation of the methods and software tools for the future observatory.

The internship concerns the analysis of the LST1 data. The student will first verify the telescope calibration through the analysis of atmospheric muon images which are used as a powerful method to calibrate the optical throughput of each telescope. Then, she/he will test the event reconstruction chain, which is under development, on real data and on Monte Carlo (MC) simulated data in order to verify the status of the present tools. Finally, using MC data, she/he will test the effect of an incorrect camera calibration on the telescope energy resolution, energy threshold and effective area in order to estimate the corresponding systematic error on the reconstructed physical quantities.

A PhD contract can eventually follow the internship.

References: [1] Science with the Cherenkov Telescope Array: https://arxiv.org/abs/1709.07997 [2] https://www.cta-observatory.org/

The KM3NeT Collaboration will instrument two deep-sea neutrino detectors in the Mediterranean Sea, a low energy site ORCA in France (5 GeV-10 TeV) and a high energy site ARCA in Italy (1 TeV-10 PeV). Both detectors will have a sensitivity largely improved compared to ANTARES at low and high energies. CPPM is the host lab of KM3NeT-ORCA and has therefore a privileged position in the Collaboration. End 2019, 6 ORCA lines should be in operation. Together with the operational ANTARES detector, we can start the first combined KM3NeT/ANTARES analysis.

There is a good science case at medium energies (100 GeV - 10 TeV) where we may expect neutrino signals coming from colliding winds of galactic binary systems, obscured extra-galactic sources (AGN, GRB).

The main goal of this intern-ship is to compute the high-energy performances of the first 7 strings of ORCA (between 1 GeV and 5 TeV) using dedicated Monte Carlo simulations and perform analysis of the combined KM3Net-ORCA/ANTARES analysis on transient astrophysical sources such as gamma-ray bursts, flares of AGNs…

The analyses will be performed using C++, python and Root on Linux platforms.

This internship can be followed by a PhD on multi-messenger analysis.

Why does the universe contains matter? One of the keys to this question is the yet unknown CP violation in the neutrino sector and a world wide experimental effort is ongoing to measure this effect. Our group is exploring a novel experimental strategy to perform this measurement based on advanced beam tracker technologies installed at accelerator neutrino experiments with a far detector made of an extremely large submarine water cerenkov neutrino telescope.

The beam tracker is one of the keystone of this new approach. It allows to reconstruct individually neutrinos at creation with excellent resolution. Getting access to this information opens a new era in neutrino physics.

During this internship, we will study, in the lab, the performance of such a tracker in particular the pixel time resolution.

KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) is a deep sea neutrino telescope currently under construction at a depth of 2500m in the Mediterranean Sea off the coast of Toulon. ORCA is optimised for the detection of low energy (3-100 GeV) atmospheric neutrinos and will allow precision studies of neutrino properties. The first ORCA detection strings have been deployed in 2019. Currently the detector takes data with 4 of them. Two more will be deployed soon.

During this intern-ship, at the Centre de Physique des Particules de Marseille, the student will actively participate in the data taking of the ORCA detector and analyse those data. The goal of the intern-ship is to extract a clean signal of upgoing atmospheric neutrinos, based on the data sample of 2019/2020 which have been taken with 4-6 detection units.

Links: http://www.km3net.org http://www.cppm.in2p3.f/rubrique.php3?id_rubrique=259

The study of these modes is motivated by several anomalies which have been revealed somewhat recently in some experimental measurements, but also by phenomenological analyses. In fact, exciting, persistent hints of New Physics (NP) have shown up in analyses of rare B decays proceeding via flavor-changing neutral currents performed by LHCb and other experiments. All these measurements have received considerable attention as they provide deviations building up a tension at the 4-5$\sigma$ level with respect to the Standard Model (SM) and are currently the only indications of new physics coming from the CERN Large Hadron Collider (LHC) [1,2]. If none of these results is yet an evidence of NP, the picture they convey is impressively coherent. Their interpretations suggest consistently that: the heavy $\tau$ lepton should be more affected by NP than the lighter $e$ and $\mu$ leptons; the $b \to s \tau \tau$ transition could be enhanced up to 3 orders of magnitude with respect to the SM predictions; NP appears not to respect the SM paradigm of Lepton Flavor Universality, leading in many models to a Violation of Lepton Flavor as well, with measurable rates for and $b \to s \tau \mu$ transitions.

Lepton Flavor (Univerality) Violation is hence becoming an extremely hot topic on which LHCb should be able to shed light in the forthcoming years. The very rare decays of $B_(s)$ mesons into $tau$ leptons are key channels to indirectly constraint the new physics phase space[3], though extremely difficult to study.

The LHCb experiment, one of the four large experiments operating at the LHC, is dedicated to heavy flavor physics. During the LHC Run I and II, it has collected about 9 fb$^{-1}$ of proton-proton interactions, gathering the largest sample of B mesons ever recorded, and thus it is a unique place to look for rare or forbidden decays.

After taking a leading role in the first observation of the $B^0_s \to \mu^+ \mu^-$ decay, after a 20 years search (published in Nature in 2015 [4]), the LHCb team has published the first limit on $B^0_s \to \tau^+ \tau^-$ in 2017 [5] and has presented a soon to be published first result ever for the $B^0_s \to \mu \tau$ mode [6] with the Run I data. This last results is on the verge of excluding (or otherwise confirm) some of the most promising models with Leptoquarks explaining the above-mentioned anomalies. The goal of this internship is to improve an aspect of the analysis for these modes in view of exploiting the full LHCb data-set. The internship could be followed by a thesis.

References: (1) arXiv:1704.05340 (2) Eur. Phys. J. C (2017) 77: 377 (3) arXiv:1903.11517 (4) arXiv:1411.4413 (5) arXiv:1703.02508 (6) arXiv1905.06614

Twenty years after the discovery of the current acceleration of the expansion of the universe by supernova measurements, the supernova probe remains the most accurate way to measure the parameters of this recent period in the history of our universe dominated by the so-called dark energy.

The precision measurements that can be performed by the supenova probe will be a crucial element that, in combination with other probes (LSS, weak lenses, CMB, etc.), will put strong constraints on the nature of dark energy. This will be made possible by the exceptional Supernova data set to be provided by LSST, with a combination of huge statistics and extreme calibration accuracy.

The Large Synoptic Telescope (LSST) project will be launched in 2021 and will be commissioned in 2021. at full speed by the end of 2022. It is an 8.4-metre telescope with a 3.2 billion pixel camera, the most powerful ever built. This telescope will take a picture of half the sky every three nights for ten years. This survey will make it possible to measure billions of galaxies with great accuracy and to track the variation over time of all transient objects. With many other astrophysical studies, it will be a very powerful machine for determining cosmological parameters using many different probes and, in particular, it will impose strong constraints on the nature of dark energy. The LSST project aims to discover up to half a million supernovae. This two to three orders of magnitude improvement in statistics over the current data set will allow accurate testing of dark energy parameters and will also impose new constraints on the universe's isotropy.

In this Master 2 internship we propose to prepare the first analysis of LSST supernova data by applying a complete analysis using LSST software and our deep learning method for identifying supernova on existing SNLS and SDSS data. The CPPM LSST group is already engaged in precision photometry work for LSST with direct involvement in algorithm validation within DESC/LSST [1][2][3] and has proposed a new deep learning method to improve the photometric identification of supernovae [4] and photometric redshifts [5]. The first part of the work will be to recover the state of the art SDSS+SNLS results aka JLA[6] using this framework and only spectroscopic information for identification and redshift, then to study the improvement obtained by adding the additional photometric information that he/she will provide with the new analysis techniques [4][5]. Prospective for LSST dataset on standard cosmology and/or alternative cosmology can be considered, if time permits.

[1] https://www.lsst.org/content/lsst-science-drivers-reference-design-and-anticipated-data-products [2] https://arxiv.org/abs/1211.0310 [3] https://www.lsst.org/about/dm [4] https://arxiv.org/abs/1901.01298 [5] https://arxiv.org/abs/1806.06607 [6] https://arxiv.org/abs/1401.4064

Scientific context of the project

Voids are very low-density environments in the large-scale distribution of matter in the Universe. As they are nearly devoid of matter, voids constitute a promising new probe for testing cosmological models and theories of gravity (Baker et al. 2018; Cai 2018; Hamaus et al. 2016).

We propose here to look for cross-correlation between CMB and voids. With the imminent massive influx of cosmological data like the DESI ground-based dark energy experiment, the number of observed objects is expected to be at least one order of magnitude. Indeed, the DESI instrument will conduct a five-year survey designed to cover 14,000 deg2 and to map the large-scale structure of the Universe from redshift 0 to 3.5 by measuring 34 million redshifts (Aghamousa et al. 2016). The expected number of voids is several tens of thousands. The DESI project will begin the survey in June 2020 after 4 months of Survey Validation. At CPPM we were involved in the construction and testing of the 10 DESI spectrometers. We are full member of DESI with guaranteed access to the DESI private data.

Description of the internship work

The aim of the internship is to cross-correlate Planck CMB maps with cosmic voids from eBOSS DR16 data. A part of the work will consist of optimizing the signal from voids.

Master Internship / possible PhD position with an industrial partner

Keywords: Tomographic reconstruction, deep learning, optimization, Photon-Counting CT Place and academic partner: Centre de Physique des Particules de Marseille, Aix-Marseille Univ., Marseille, France Industrial partner: Technologies de France, Gardanne, France. (Preferred) Starting date: February/March 2020 (up to 6 months). Available now.

The imXgam group of the Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) has developed the micro PC-CT PIXSCAN-FLI, based on the hybrid pixel technology camera XPAD3 [1, 4] working in Photon Counting mode. The XPAD3 circuit permits to count single X-ray photons and to set a minimum threshold on their energy. A Monte Carlo simulation, which reproduces the XPAD3 response, has already been set up [2].

A broad variety of iterative algorithms have been developed for past years to perform 3D tomographic reconstruction of Photon Counting CT, among which those developed at CPPM for standard PC-CT [3]. They all rely on optimization techniques minimizing a cost function. This latter classically encompasses the physics of acquisition and a regularization term modeling the class of images to recover. However, the advent of deep learning approaches for CT reconstruction recently permitted a significant gain of quality when compared to the gold standards of iterative algorithms. Firstly used as denoisers, the deep networks very recently evolved so that their architecture mimics the one of iterative algorithms while offering better implicit modeling of images.

The subject of the internship is to develop and assess a 3D reconstruction method relying on deep learning techniques for Photon Counting CT. The implemented algorithm(s) will be based on state-of-the-art [5,6]. Their performance for Photon-Counting CT will be evaluated on simulated data (analytic or/and Monte-Carlo simulation) and on real data. The candidate will acquire real data on the micro PC-CT PIXSCAN-FLI at CPPM. This internship will be in collaboration with the company “Technologies de France” that developed its own spectral PC-CT prototype OSIRX, real data will be also acquired on ORISIX in order to validate the approach on several PC-CT.

Skills:

• Master degree in Applied Mathematics or Data science or Medical Imaging Science. • Appreciated: Python or Matlab, knowledge of X-ray physics and related challenges.

Application: send to boursier@cppm.in2p3.fr AND y.menjour@compagnie-france.fr

• Curriculum Vitae • Contact details for one or two referees • Recent university records

References:

[1] Delpierre, P. et al., PIXSCAN : Pixel detector CT-scanner for small animal, Nucl. Instrum. and Meth. A 571 (2007) 425-428. [2] F. Cassol Brunner et al., Simulation of PIXSCAN, a photon counting micro-CT for small animal imaging, JINST 4 (2009) P05012. [3] Anthoine et al., Some proximal methods for Poisson intensity CBCT and PET, Inv. Prob. Imag., 4(4), (2012) [4] F. Cassol et al., Characterization of the imaging performance of a micro-CT system based on the photon counting XPAD3/Si hybrid pixel detectors, Biomed. Phys. Eng. Express 2 (2016) 025003 [5] J. Adler, O. Öktem, Learned Primal-Dual Reconstruction, IEEE Trans. Med. Imag., 37 (6) (2018) [6] Kyong Hwan Jin et al., Deep Convolutional Neural Network for Inverse Problems in Imaging, IEEE Trans. Imag. Proc. 26 (9) (2017)

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is a worldwide project to construct the next generation ground based very-high-energy (VHE) gamma-ray instrument [1]. CTA will be situated on both the Northern Hemisphere (La Palma on the Canary Islands) and the Southern Hemisphere (Atacama Desert, Chile) in order to cover the entire sky. CTA will provide an unprecedented insight into the VHE Universe and in particular will explore the energy region above few tens of TeV for the first time [2]. One of the main goals of CTA is the understanding of the origin of galactic cosmic rays. Astrophysical sources emitting gammas at energies above 50 TeV are very good candidates for cosmic ray accelerators at PeV energies (PeVatrons). The CPPM is involved since few years in studying the capabilities of CTA in detecting galactic PeVatrons. The goal is to identify promising candidate sources during the galactic plane survey for subsequent deeper observations. The internship will be focused on the investigation of different observation strategies. In particular the possibility offered by the Small Sized Telescopes of CTA to observe during bright Moonlight nights will be investigated with the goal to increase the observation time for promising PeVatron candidates.

References:

[1] https://www.cta-observatory.org/ [2] Science with the Cherenkov Telescope Array: https://arxiv.org/abs/1709.07997 [3] Cherenkov Telescope Array potential in the search for Galactic PeVatrons: https://arxiv.org/abs/1911.06134

In the era of Stage IV, experiments the sky will be more revealing than ever. The main pillars of modern cosmology is the Cosmological Principle and the theory General of Relativity, our best description of gravity, to date. The best phenomenological model is named LCDM where L stands for the unknown Dark Energy component of the Universe responsible for the primordial and late time acceleration of the Universe, while LCDM stands for Cold Dark Matter, which is another unknown component that fills, up to 80% of the total matter of the universe to date, 2019. In order to test this theory, we will develop a new approach to study the large scale structures through the Fractal Dimension. This Fractal Dimension describes the self-similar behaviour of galaxy samples.

This projects has two aims. The first aim is to deepen the understanding of the student on cosmological models. The second aim is to give the student the necessary skills in observational cosmology and the large scale structure science.

References:

Cosmological implications of baryon acoustic oscillation (BAO) measurements https://arxiv.org/abs/1411.1074

A 14h?3Gpc3 study of cosmic homogeneity using BOSS DR12 quasar sample https://arxiv.org/abs/1602.09010

SLOAN DIGITAL SKY SURVEY IV: MAPPING THE MILKY WAY, NEARBY GALAXIES, AND THE DISTANT UNIVERSE, https://arxiv.org/abs/1703.00052

Exploring Cosmic homogeneity with DR12 BOSS galaxy sample https://arxiv.org/abs/1702.02159

The scale of homogeneity as a standard Ruler https://arxiv.org/abs/1810.09362

Cosmological constraints from cosmic homogeneity https://arxiv.org/abs/1904.06135

In the era of stage IV, experiments the sky will be more revealing than ever. The main pillars of modern cosmology is the Cosmological Principle and the theory General of Relativity, our best description of gravity, to date. The best phenomenological model is named LCDM where L stands for the unknown Dark Energy component of the Universe responsible for the primordial and late time acceleration of the Universe, while LCDM stands for Cold Dark Matter, which is another unknown component that fills, up to 80% of the total matter of the universe to date, 2019. In order to test this theory, we take advantage of the primordial plasma that produced Baryon Acoustic Oscillations in the early universe. These oscillations evolved in time and they are still imprinted on the large scale structures in the late universe.

This projects has two aims. The first aim is to deepen the understanding of the student on cosmological models. The second aim is to give the student the necessary skills in observational cosmology and large scale structure surveys.

References:

Cosmological implications of baryon acoustic oscillation (BAO) measurements https://arxiv.org/abs/1411.1074

SLOAN DIGITAL SKY SURVEY IV: MAPPING THE MILKY WAY, NEARBY GALAXIES, AND THE DISTANT UNIVERSE, https://arxiv.org/abs/1703.00052

L'accélération de l'expansion de l'Univers, mise en évidence en 1999 et qui a valu à ses découvreurs le prix Nobel en 2011, est un des plus grands mystères de la physique contemporaine, puisqu'elle s'interprète comme due à une énergie noire qui représente près de 70 % du contenu énergie-matière de l'Univers. Comprendre sa nature est un des grands défis de la cosmologie moderne.

Les outils les plus prometteurs pour contraindre et comprendre la nature de l'énergie noire sont basés sur l'observation des grandes structures de l'Univers. Les outils statistiques comme la fonction de corrélation à deux points ou le spectre de puissance sont utilisés pour caractériser les propriétés de regroupement des galaxies, et ainsi permettre d'extraire des informations cosmologiques comme le paramètre d'expansion de l'Univers, les densités de matière noire et d'énergie noire ou encore la masse des neutrinos.

Ces mesures sont faites à partir d'un catalogue de galaxies observées, mais le calcul d'erreur associé, la matrice de covariance, nécessite des centaines voire des milliers de catalogues simulés de galaxies pour pouvoir atteindre une précision au pourcent. Le temps de génération de ces catalogues est très long, même sur les fermes de calcul les plus performantes. Or la méthode dite jackknife, qui consiste en un découpage et un réassemblage d'un catalogue, permet d'extraire une matrice de covariance par la génération rapide de plusieurs centaines de pseudo-catalogues.

Le sujet du stage consiste à utiliser la méthode jackknife pour calculer une matrice de covariance à partir des simulations de catalogues de galaxies DEMNUni réalisés dans le contexte de la mission Euclid, et d'étudier l'impact de cette approche en termes de précisions sur l'extraction des paramètres cosmologiques, en particulier sur la masse des neutrinos. Euclid est la future mission spatiale européenne dédiée à l'étude de l'énergie noire qui sera lancée en 2022 pour une durée de 6 ans.

Référence : • DEMNUni: The clustering of large-scale structures in the presence of massive neutrinos, Castorina et al., JCAP 07 (2015) 043. • Jackknife resampling technique on mocks: an alternative method for covariance matrix estimation, S. Escoffier et al., arXiv:1606.00233

Le Centre de Physique des Particules de Marseille, unité mixte CNRS/Aix-Marseille Université, (http://marwww.in2p3.fr) est un des laboratoires de l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3), institut du CNRS qui regroupe les moyens de la physique des particules. Le CPPM travaille notamment pour l'expérience LHCb (http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/), installée sur le LHC, l'accélérateur de particules et collisionneur proton-proton le plus puissant du monde, au CERN à Genève (http://www.cern.ch). Cette expérience permettra de découvrir de nouvelles particules et des extensions du modèle standard de la physique. Le CPPM est en charge de la construction du système d'acquisition en temps réel des données de l'expérience : lecture de l'ensemble des données des sous-détecteurs via 10000 liens optiques à 10 Gbits/s, traitement en temps réel puis envoi vers une ferme de calcul constituée de plusieurs milliers de processeurs. La technologie utilisée fait appel aux FPGAs de dernière génération : AgileX d'INTEL avec 2.7 millions de logic cells.

Activité principale : En préparation du développement des cartes électroniques de ce système, il s'agit de développer sur une carte d'évaluation, un firmware émulant les données entrantes et les redirigeant vers un réseau de neurones effectuant une analyse au vol de ces dernières. Le but de ce stage est de développer et implémenter le firmware FPGA qui va permettre d'autoinjecter des données simulées, puis de les analyser via un réseau de neurones entraîné préalablement. L'ensemble utilisera les langages VHDL, Python et l'outil PyQt. Le ou la stagiaire sera accueilli(e) au sein du service électronique du CPPM qui possède un savoir-faire étendu dans la programmation des FPGA de la marque INTEL/ALTERA.

Le travail s'effectuera dans un environnement de recherche international, quelques déplacements au CERN (Genève) seront possibles.

Connaissances requises :
- Bonnes connaissances en conception FPGA en langage VHDL.
- Connaissance des outils ALTERA Quartus et Modelsim seraient un plus.
- Connaissance basique des techniques neuronales appréciée.
- Bon niveau d'anglais pour travailler avec le CERN et y présenter les résultats.

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « LHCb_fpga » à Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email : hachon @cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

ATLAS (« A Toroidal LHC ApparatuS») est une expérience de physique des particules installée auprès du LHC (« Large Hadron Collider ») au CERN (« Centre Européen pour la Recherche Nucléaire ») situé à Genève. Elle a été conçue pour tester de nouveaux modèles de physique, et rechercher les signatures de nouvelles particules, telles que le boson de Higgs découvert en 2012. En prévision d'une jouvence complète du détecteur à pixel de l'expérience, une collaboration internationale, RD53 a été mise en place pour développer le prochain circuit de lecture associé au détecteur en technologie CMOS 65 nm. Le CPPM fait partie de cette collaboration et a en charge plusieurs cellules implantées dans le circuit global comme un ADC de type SAR permettant la numérisation des informations provenant de références de tension, dosimètres, et capteurs de température. Il a également la responsabilité de la conception de mémoires tolérantes au SEU (« Single Event Upset ») et exerce une activité dans le groupe « Radiation Tolerance » puisque l'ASIC de lecture devra fonctionner dans un environnement très radioactif,supportant une dose totale de 500 Mrad (5 MGray) pendant 5 ans d'exploitation.

Activité principale : Un circuit RD53A, premier prototype demi-échelle (1x2cm²) issu de cette collaboration est en cours de tests dans les différents instituts. L'ASIC final, RD53B (2x2cm²), est en cours de finalisation pour une première fabrication prévue courant de l'hiver 2020. Actuellement un banc de test, BDAQ53, est utilisé au CPPM pour tester ces puces. Il comprend une carte Xilinx Kintex-7 (FPGA KC705) permettant d'assumer la communication avec la puce via un câble DisplayPort à une vitesse de 1.28Gbit/s. L'activité principale du ou de la stagiaire sera en rapport avec la mise en place du banc pour caractériser en irradiation les cellules implémentées dans la puce.

Le stage comprendra plusieurs étapes telles que :
- La prise en main du banc de test.
- La maitrise, le débogage des différentes fonctions du banc.
- L'adaptation des fonctions réalisées pour une utilisation des installations sous irradiations. Connaissances requises :
- Bonnes bases en électronique
- Solides connaissances en conception FPGA en VHDL et programmation C++, Python. Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_TestElec_RD53 » à : Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : +33 4 91 82 76 71 email : hachon@cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

Le Centre de physique des particules de Marseille, CPPM, est une unité mixte de recherche (UMR 7346) qui relève de l'IN2P3 : institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université. L'expérience ATLAS du CERN à Genève fait l'objet d'une collaboration internationale de 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays. Dans le cadre du projet R&D de mise à niveau du système d'acquisition de données et de trigger de l'expérience ATLAS du CERN, le CPPM a développé une carte électronique de test au format ATCA, standard très utilisé dans le monde des Télécoms. Cette carte de haute densité (20 couches) intègre trois FPGA de dernière génération deux « STRATIX 10 », ainsi qu'un « MAX10 » de Intel-Altera. Elle permettra de mettre en oeuvre des liaisons rapides à très haute vitesse (jusqu'à 25 Gbit/s) basées sur des protocoles propriétaires du CERN à travers des fibres optiques. La caractérisation et la mise au point de cette carte sont nécessaires pour fournir une carte fiabilisée au CERN à l'horizon 2025.

Activité principale : Dans un premier temps, le ou la stagiaire se familiarisera avec la carte électronique. Ensuite, il ou elle devra prendre en charge la validation et la mise au point de la carte :
- Ecriture d'une procédure de test de chaque fonction : alimentation, système d'horloge ….
- Développement de firmware FPGA et de drivers en C pour mettre en oeuvre et tester les périphériques de la carte basés sur des bus I²C, SPI ...
- Validation, tests et mesures sur oscilloscopes de pointe (type Serial Data Analyser)
- Identifier les bugs préliminaires, proposer des corrections pour un nouveau prototype

Le (la) stagiaire sera intégré(e) au groupe ATLAS Calorimétrie du CPPM et interagira avec les doctorants, les ingénieurs et les physiciens de ce groupe. Les développements se feront à Marseille avec des missions d'intégration et de tests au CERN. Ce travail dans un environnement de recherche international tel que le CERN constituera pour le ou la stagiaire un aspect important de sa formation. Des déplacements à Genève sont à prévoir.

Connaissances requises :
- Bonnes bases en électronique : alimentation, électronique numérique et FPGA.
- Conception FPGA en VHDL et de firmware embarqués en C
- Bon niveau d'anglais pour travailler avec la collaboration du CERN et y présenter les résultats.

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_Test_carte » à Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email: hachon @cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

Le Centre de physique des particules de Marseille, CPPM, est une unité mixte de recherche (UMR 7346) qui relève de l'IN2P3 : institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université. L'expérience ATLAS du CERN à Genève fait l'objet d'une collaboration internationale de 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays. ATLAS est l'un des détecteurs polyvalents du grand collisionneur de hadrons, le LHC, le plus grand et puissant accélérateur de particules au monde. Il a été conçu et construit pour mettre en évidence le boson de Higgs (découvert en 2012), tester de nouveaux modèles de physique et rechercher les signatures de nouvelles particules. Au CPPM, on s'intéresse en particulier au développement du détecteur de vertex (trajectographe), détecteur interne le plus proche du point d'interaction. Le CPPM fait partie de la collaboration RD53 du CERN regroupant plusieurs instituts pour le développement de la future génération des circuits de lecture des pixels en technologie CMOS 65 nm afin de réduire la taille des pixels (50 ?m × 50 ?m) et donc améliorer la résolution spatiale du détecteur. L'un des challenges réside dans l'augmentation du nombre de données à acheminer depuis le détecteur vers les centres de calculateurs. Les circuits intégrés spécifiques à très haut débit et durcis contre les irradiations sont des éléments essentiels pour la transmission de ces données. Ces circuits sont à la base de développement de liens optiques à très haut débit (10 Gbit/s) affichant une faible consommation d'énergie, une bonne conformité aux contraintes temporelles et une très bonne qualité en termes d'intégrité du signal.

Activité principale : Le but de ce stage est de proposer une architecture très basse consommation pour le circuit de transmission de données. Le circuit est par la suite conçu en utilisant le process 65 nm. Le stage de 6 mois sera organisé en plusieurs étapes :
- Etude du circuit de lecture des pixels et de l'interface de transmission des données à haut débit
- Etude et optimisation du circuit d'émission ou de réception à 10 Gbit/s
- Etude des effets de la dose ionisante
- Simulation et optimisation du circuit sous Cadence Virtuoso
- Dessin des masques sous cadence

Connaissances requises :
- Bonnes connaissances en conception de circuits analogiques CMOS
- Le développement de bancs de test basés sur des composants programmables de type FPGA est considéré comme un avantage.

Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_MicroElec » à Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email : hachon @cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré

Le Centre de physique des particules de Marseille, CPPM, est une unité mixte de recherche (UMR 7346) qui relève de l'IN2P3 : institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université. Nos projets scientifiques s'inscrivent dans les interrogations fondamentales de la physique des particules, de l'astroparticule et de la cosmologie observationnelle. Les enjeux expérimentaux de nos recherches nécessitent la mise en oeuvre de moyens techniques de pointe en électronique, en informatique et en instrumentation. Ils engendrent des concepts et des produits innovants. Dans le cadre de l'expérience ATLAS du CERN à Genève, nous participons à l'amélioration de l'instrumentation électronique du calorimètre à Argon liquide. Le projet consiste à développer et mettre au point un système électronique numérique d'acquisition de données constitué d'un ensemble de cartes au format ATCA (Advanced Telecom Computer Architecture) qui intégreront chacune deux FPGA STRATIX-10 et de nombreuses liaisons optiques de débits compris entre 10 et 25 Gb/s. Il sera in fine déployé au CERN et constituera la plateforme sur laquelle différents laboratoires apporteront leurs contributions.

Activité principale : Actuellement en phase d'étude et réalisation de prototypes de ces cartes, le/la stagiaire devra :
- Étudier le système de traitement de données multi-gigabits et son système de test intégré.
- Développer et simuler le firmware FPGA qui permettra d'assurer la réception, le traitement etla transmission des données issues des détecteurs. Une attention particulière sera portée à la récupération et la ré-génération du signal d'horloge à très faible jitter, élément essentiel pour assurer une transmission des données hauts débits de qualité.
- Il faudra ensuite implémenter ce firmware sur les kits de développement STRATIX-10 ainsi que sur les premiers prototypes des cartes conçues au CPPM pour en caractériser les performances et la qualité des liens rapides. Le stage sera effectué au sein du service électronique du CPPM qui possède un savoir-faire reconnu dans la conception de cartes d'acquisition rapides à base de FPGA de la marque Intel-Altera. Ce travail dans un environnement de recherche tel que le CERN constituera pour le ou la stagiaire un aspect important de sa formation. Des déplacements à Genève et à l'international sont à prévoir.

Connaissances requises : ? Bonnes connaissance en conception FPGA et langage VHDL ? Pratique de l'outil INTEL-ALTERA Quartus et Modelsim Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_fpga » à Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email : hachon@cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.

Le Centre de physique des particules de Marseille, CPPM, est une unité mixte de recherche (UMR 7346) qui relève de l'IN2P3 : institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université. ATLAS est l'un des grands détecteurs polyvalents du grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Il a été conçu et construit pour mettre en évidence le boson de Higgs, tester de nouveaux modèles de physique et rechercher les signatures de nouvelles particules. Le détecteur ATLAS est le détecteur de particules le plus volumineux jamais construit. Il mesure 46 m de long, 25 m de haut et 25 m de large. Il pèse 7000 tonnes et se situe dans une caverne, à 100 m sous terre. Au CPPM, un groupe d'une trentaine de physiciens, ingénieurs et techniciens est impliqué dans le projet ATLAS et s'intéresse en particulier au développement du détecteur de vertex, détecteur interne le plus proche du point d'interaction. Ce détecteur de traces (trajectographe) est destiné à suivre le passage des particules dès leur formation. La brique élémentaire du trajectographe est un circuit intégré spécifique (ASIC) matriciel de plusieurs millions de transistors. Ce circuit opère comme un appareil photo, qui doit prendre une image de la détection des particules, toutes les 25 ns. Plusieurs contraintes de conception sont imposées sur l'électronique, comme la surface, la rapidité, la consommation et la précision. Afin de fonctionner en toute autonomie, le circuit a besoin de fonctions générales, comme un « bandgap reference », un capteur de température, un buffer analogique et son ADC, des circuits numériques de décisions et mémoires, ou encore un système de distribution des alimentations ou polarisations des étages. Des étages d'entrée/ sortie à hautes vitesses comme les standards LVDS ou CML seront aussi intégrés.

Activité principale : Dans un premier temps, le ou la stagiaire devra mener une recherche bibliographique détaillée sur une des fonctions générales. Ensuite, il ou elle devra proposer et concevoir une des fonctions qui soit le mieux adaptée à l'application selon le cahier des charges fourni. En fonction de l'avancement du projet, le ou la stagiaire aidera l'équipe de conception à finaliser le circuit ASIC, pour une fabrication courant 2020.
- Etude bibliographique sur les architectures de la fonction.
- Conception, simulation sous Cadence
- Dessin des masques (Layout)
- Simulation post-layout
- Des tests sur d'anciens circuits sont à prévoir.

Connaissances requises :
- Bonnes connaissances en conception de circuits intégrés en technologie CMOS
- Connaissance dans la manipulation d'instruments de mesure Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_Asic » à

Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email : hachon @cppm.in2p3.fr

Le Centre de physique des particules de Marseille, CPPM, est une unité mixte de recherche(UMR 7346) qui relève de l'IN2P3 : institut regroupant les activités de physique des particules et de physique nucléaire au sein du CNRS et d'Aix-Marseille Université. L'expérience ATLAS du CERN à Genève fait l'objet d'une collaboration internationale de 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays. Dans ce cadre, nous intervenons sur l'acquisition de données temps réel du détecteur Calorimètre à Argon Liquide. L'électronique front-end de ce détecteur est pilotée par une carte d'interface dont le logiciel de contrôle est développé au CPPM. Ce logiciel utilise un système SCADA appelé « WINCCOA »,qui est utilisé spécifiquement au CERN et est basé le protocole OPCUA. Il effectue l'initialisation de la carte, la calibration et le monitoring. Le projet consiste à gérer la séquentialité des commandes, les lectures/écritures ainsi que les erreurs si les séquences échouent. Pour implémenter ces fonctions, le CPPM a développé un serveur intermédiaire, en C++, qui utilise les protocoles de communication OPCUA et Ipbus. Ce serveur reçoit les commandes de WINCCOA et les transforme en requêtes de lecture/écriture en gérant la séquentialité et les retours d'erreurs des requêtes demandées.

Activité principale : Dans un premier temps, le ou la stagiaire se familiarisera avec les protocoles OPCUA et IPBUS. Ensuite, il ou elle devra faire évoluer le serveur intermédiaire pour :
- Implémenter de nouvelles commandes, de nouvelles méthodes et faire évoluer l'architecture.
- Permettre la configuration de plusieurs cartes : gestion de la concurrence et du multi-threading.
- Intégrer une base de données pour obtenir les informations de mapping du système. Il (elle) sera amené(e) aussi à travailler sous WINCCOA, d'abord pour se familiariser avec le langage utilisé, proche du C, puis enrichir le programme de nouvelles fonctionnalités. Le (la) stagiaire sera intégré(e) au groupe ATLAS Calorimétrie du CPPM et interagira avec les doctorants, les ingénieurs et les physiciens de ce groupe. Les développements se feront à Marseille avec des missions d'intégration et de tests au CERN. Ce travail dans un environnement de recherche international tel que le CERN constituera pour le ou la stagiaire un aspect important de sa formation. Des déplacements à Genève sont à prévoir.

Connaissances requises :
- Maîtrise des langages C, C++ et python.
- Bonnes bases en électronique numérique et FPGA.
- Bon niveau d'anglais pour travailler avec la collaboration du CERN et y présenter les résultats. Contact : CV + lettre de motivation avec la référence « ATLAS_Info » à Frédéric HACHON, Ingénieur de Recherche CPPM Tél : 04 91 82 76 71 email : hachon @cppm.in2p3.fr Le stage de 6 mois sera conventionné et rémunéré.