Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'expérience NUCLEUS, installée au cœur de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes, avec un objectif ambitieux : détecter et mesurer le processus de diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux (DCNN) auprès d'un réacteur nucléaire. Aux énergies du MeV, la DCNN est le mode d'interaction prépondérant des neutrinos avec la matière, mais les très faibles reculs nucléaires qu'elle produit l'ont longtemps rendue inobservable : elle n'a été mise en évidence qu'en 2017, soit 40 ans après sa prédiction, à l'accélérateur d'Oak Ridge aux USA. Sa mesure auprès d'un réacteur est un double défi : les reculs nucléaires produits, d'énergie de l'ordre de 100 eV, échappent aux détecteurs conventionnels, et les conditions de bruit y sont particulièrement défavorables.
Pour répondre à ces défis, la collaboration NUCLEUS développe des calorimètres cryogéniques : des cristaux de tungstate de calcium d'une masse totale d'environ 10 grammes, opérés à ~10 mK et lus par des thermomètres à transition supraconductrice (TES), atteignant des seuils de l'ordre de 10 eV. Ces détecteurs sont protégés des bruits de fond externes par un blindage cryogénique instrumenté complété d’un blindage radiologique et d’un véto muon à l’extérieur du cryostat, l’ensemble ayant été conçu et développé par notre équipe. Ces seuils ultra-bas ont toutefois révélé une nouvelle limite : un bruit de fond instrumental mal compris, surnommé « low-energy excess » (LEE), dont le taux croît exponentiellement sous le keV et masque le signal DCNN attendu. Observé par toutes les expériences de détection cryogénique à bas seuil, le LEE est aujourd'hui le principal facteur limitant la détection cryogénique des antineutrinos de réacteur, et sa compréhension constitue le fil conducteur de cette thèse.
Après une installation réussie en 2026, NUCLEUS est entrée dans une première phase de prise de données, appelée « run technique », utilisant un module de détection cryogénique simplifié. Elle sera suivie à l'horizon 2027 d'un « run neutrino », exploitant une version mise à jour du module intégrant un système de maintien des cristaux instrumenté, appelé inner veto, et développé à l'université technique de Munich. Au cours de sa thèse, le (la) doctorant(e) sera partie prenante de ces campagnes de prises de données et de leur analyse, en mobilisant l'ensemble des sous-détecteurs de l'instrument. Il s'agira d'une part de caractériser les bruits de fond particules au keV afin d'affiner le modèle Geant4 élaboré dans notre équipe, prérequis indispensable pour bien isoler les caractéristiques temporelles et énergétiques du LEE dans les événements reconstruits à basse énergie. Un second volet du sujet sera ensuite dédié à la caractérisation du LEE et à l'identification de son origine parmi les hypothèses actuelles (stress mécanique induit par le maintien des cristaux, relaxation de défauts cristallins), en comparant minutieusement les deux configurations du détecteur. Cette comparaison sera décisive pour éprouver l'hypothèse du stress mécanique et, le cas échéant, rejeter les événements associés. La confrontation de ces deux campagnes permettra ainsi de mieux cerner les paramètres expérimentaux qui modulent le taux d'événements LEE, et d'orienter la conception d'un nouveau détecteur minimisant ce bruit de fond. L'objectif est d'ouvrir la voie à une mesure de la DCNN auprès d'un réacteur avec une sensibilité de premier plan, avec des retombées pour l'étude du neutrino et la surveillance des installations nucléaires.