Faculté des arts et des sciences – Département de physique - Thèses et mémoires

URI permanent de cette collectionhttps://hdl.handle.net/1866/2990

Cette collection présente les thèses et mémoires des étudiant.e.s du Département de physique de l'Université de Montréal.

1990 - : Couverture exhaustive (quelques titres manquants)
avant 1990 : Période non couverte ou couverture partielle

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Étude des techniques de segmentation et correction pour le déplacement du positron en tomographie par émission de positrons
Laporte, Philippe; Carrier, Jean-François (2025-03)
La Tomographie par Émission de Positrons (TEP) est une modalité d’imagerie. Elle permet d’imager la concentration d’un composé radiopharmaceutique de manière non-invasive dans un patient. La taille des détecteurs, la reconstruction des images et la portée du positron sont des facteurs physiques aﬀectant la résolution spatiale de la TEP. L’imagerie TEP dynamique est utilisée dans plusieurs contextes d’application, dont la biodistribution. Le but de cette thèse est d’évaluer les méthodes actuelles de segmentation en TEP dans un contexte dynamique et de déterminer une méthode de correction du déplacement du posi- tron, qui a un impact sur la résolution spatiale. Dans les études TEP pharmacocinétiques, il est souvent nécessaire de segmenter les images d’un tissu d’intérêt ou d’un organe. Dans un premier temps, cette thèse analyse la notion que les segmentations statiques de médecine nucléaire ne sont pas adéquates dans un contexte dynamique. Ensuite, une infrastructure numérique a été développée. Le résultat est une interface graphique, baptisée Techniques for Reliable Use of Images in Medical Physics ou TRU-IMP. La flexibilité rend cet outil pertinent dans un contexte de recherche clinique et académique, puisqu’il est facile de le modifier pour ajouter des outils adaptés aux besoins. Finalement, une méthode pour corriger la perte de résolution due au déplacement du positron est présentée. Cette correction est faite au niveau de la courbe d’activité temporelle. Cette estimation de la perte de résolution en imagerie TEP permet une meilleure précision des analyses pharmacocinétiques. Cette méthode est implémentée dans l’interface TRU-IMP. L’ensemble de cette thèse se penche sur la méthodologie d’analyse en TEP dynamique quantitative. Les retombées cliniques et scientifiques sont importantes, dans la mesure où les études deviendront plus précises. De nombreuses pistes de recherche ultérieures sont présentées, dont l’application en TEP/IRM, la propagation à d’autres formes de pertes de résolution et le développement de nouveaux algorithmes de segmentation.
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Étude statistique et observationnelle des éruptions solaires sympathiques
Guité, Louis-Simon; Charbonneau, Paul; Strugarek, Antoine (2025-03)
Les éruptions solaires figurent parmi les phénomènes les plus énergétiques de notre système solaire. La radiation intense et, parfois, l’éjection de masse qu’elles génèrent peuvent avoir des répercussions directes sur nos technologies et infrastructures, tant sur Terre que dans l’espace. Étudier ces événements éruptifs est donc essentiel pour comprendre les mécanismes qui les déclenchent et ainsi tenter de les prédire. Dans ce contexte, il est pertinent de s’intéresser à un type particulier d’éruptions: les éruptions solaires sympathiques. Ces dernières montrent des corrélations dans l’espace et dans le temps, probablement causées par une interaction physique entre les régions actives dans lesquelles elles se déclenchent. Cependant, aucune preuve statistiquement significative de leur existence n’a encore été présentée. Dans ce mémoire, nous analysons les éruptions solaires sympathiques afin de quantifier leurs propriétés physiques et statistiques en fonction de la phase du cycle solaire. Pour y arriver, nous utilisons des observations d’un grand nombre d’éruptions, obtenues grâce aux missions spatiales Solar Dynamics Observatory, Reuven Ramaty Energy Solar Spectroscopic Imager et Solar Orbiter. Pour la première fois, nous démontrons de manière statistiquement significative la présence des éruptions solaires sympathiques sur le Soleil, avec un déclenchement caractérisé par une échelle temporelle et spatiale précise. Nous proposons également un modèle physique fondé sur la taille des boucles de champ magnétique reliant différentes régions actives, afin d’expliquer les échelles caractéristiques observées. De plus, nous quantifions la fréquence de ces événements, ce qui pourrait éventuellement influencer les modèles prédictifs présentement utilisés pour la météorologie spatiale. Ce mémoire présente une étude novatrice, établissant ainsi une base solide pour de futures recherches statistiques sur ces éruptions fascinantes.
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Caractérisation d’atmosphères de géantes gazeuses par la spectroscopie à haute résolution spectrale
Bazinet, Luc; Benneke, Björn (2025-03)
La science des exoplanètes a connu une croissance exponentielle depuis la découverte de la première exoplanète autour d'une étoile de type solaire il y a trois décennies. Grâce à l'avancement de techniques numériques et d'instruments astronomiques, il est maintenant possible de détecter et caractériser l'atmosphère d'exoplanètes avec une précision inégalée. L'une de ces méthodes révolutionnaires exploite la spectroscopie à haute résolution spectrale et la corrélation croisée pour étudier l'atmosphère d'exoplanètes. La spectroscopie à haute résolution permet de résoudre les lignes spectrales des espèces chimiques. Ceci permet de quantifier l'abondance de ces espèces dans l'atmosphère des exoplanètes. Les Jupiter chaudes sont les meilleures cibles pour l'analyse atmosphérique. Celles-ci reçoivent une quantité d'énergie extrême de leur étoile hôte, menant à des processus physiques et chimiques absents dans le Système solaire. Entre autres, les atmosphères de Jupiter chaudes sont principalement composées d'espèces chimiques simples. Ce mémoire présente l'analyse atmosphérique de deux Jupiter chaudes à l'aide de données d'instruments à haute résolution spectrale. L'étude de l'exoplanète HIP 65Ab présentée dans le présent mémoire consiste en la première étude de l'atmosphère de cette planète. Avec la corrélation croisée, accompagnée par la récupération de paramètres, nous avons quantifié les abondances d'eau et de monoxyde de carbone sur le côté jour de la planète. Par la suite, il est possible de spéculer quant à la position de la formation et le scénario de migration planétaire de HIP 65Ab. Le deuxième article consiste en l'étude du spectre d'émission de la Jupiter ultra-chaude WASP-121b. Nous avons détecté de l'eau et le radical hydroxyle (OH) dans l'atmosphère de la planète. Le radical hydroxyle est principalement créé par la dissociation de l'eau, alors il peut agir comme un thermomètre. Nous investiguons un décalage de vitesse du signal de l'eau, qui peut être attribué à une non-uniformité de la distribution de l'eau, à des vents ou à du bruit intrinsèque. Ces articles nous en apprennent davantage sur la composition et la dynamique de la population des géantes gazeuses, ce qui nous renseigne sur les planètes géantes de notre Système solaire.
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Effet du chauffage coronal sur l’évolution magnétorotationelle des étoiles de type solaire
Lévesque, Michaël; Charbonneau, Paul (2024-08)
La loi de la gyrochronologie Ω ∝ t −1/2 permet d’évaluer l’âge des étoiles en se basant sur leur vitesse de rotation Ω. De récentes observations (van Saders et al., 2016; Metcalfe et al., 2016), faites à l’aide de l’astérosismologie pour les étoiles de type solaire plus âgées que le Soleil, ont montré que plusieurs d’entre elles tournent plus rapidement qu’attendu. Nous introduisons ici une procédure composée de deux modèles et d’une loi de puissance pour reproduire ce bris de la gyrochronologie. Cette procédure utilise un modèle magnétohydrodynamique de vent coronal polytropique, proposé pour la première fois par Weber et Davis (1967), couplé avec un modèle d’évolution de la rotation de MacGregor et Brenner (1991) qui inclut la redistribution du moment cinétique du coeur radiatif vers l’enveloppe convective des étoiles de type solaire lorsque ces dernières perdent du moment cinétique. En première partie, je présente la dérivation et les caractéristiques du modèle de vent WD et du modèle d’évolution de la rotation. Le coeur du travail est un article qui présente les explorations de l’espace des paramètres du modèle WD conjointement avec une analyse du dépôt d’énergie dans la couronne. Ces analyses ont révélé que la perte de moment cinétique dJ/dt n’est pas une fonction monotone de la température et que ni dJ/dt ni la perte de masse dM/dt ne peuvent être exprimées comme une loi de puissance de la température, comme c’est souvent fait dans le cadre de modèles semi-empiriques. Nous avons cependant mis à jour une forte corrélation entre la perte de masse en dM/dt(T,α) et le chauffage volumique S(T,α) en fonction de la température et l’indice polytropique. Nous introduisons également une loi de puissance T/T⊙ = (Ω/Ω⊙) σ , pour que notre modèle d’évolution de la rotation dévie de la loi de la gyrochronologie et nous avons constaté que nous obtenons une diminution de la perte de moment cinétique appréciable pour des σ > 1.2 en accord avec des modélisations semi-empiriques antérieures (Ó Fionnagáin et Vidotto, 2018) qui ont ajusté cette même loi de puissance à des étoiles plus vieilles que le Soleil. Je conclus en résumant nos découvertes et discute de la suite de ce projet de recherche. En annexe sont présentées les dérivations complètes du modèle Weber-Davis, les dérivations des équations de dépôt d’énergie, les dérivations de nos procédures d’adimensionalisation de nos paramètres et de normalisation.
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Analyse approfondie de la composition chimique de l’étoile naine blanche WD 1145+017 et de son disque circumstellaire
Le Bourdais, Érika; Dufour, Patrick (2024-07)
This thesis presents a thorough analysis of the chemical composition of polluted white dwarf WD 1145+017 and its circumstellar environment. The presence of metals in the atmospheres of white dwarfs allows for the identification of the bulk chemical composition of planetary systems. Several actively disintegrating planetesimal fragments orbit this stellar remnant, causing exceptional transits and circumstellar absorption profiles. To better quantify the photospheric abundances, we improved a model capable of reproducing the profiles of WD 1145+017 and integrated it into our abundance determination. These calculations were performed over dozens of epochs of high-resolution spectroscopic data in the visible and ultraviolet spectral regions. This study yields interesting results for the WD 1145+017 system and the field polluted white dwarfs. We detected 16 elements in the photosphere of this white dwarf, tying GD 362 as the most polluted white dwarfs in terms of number of elements in the photosphere. In the disk, we observed a significant degeneracy between density, temperature, and chemical composition, implying that our model is not precise enough yet to draw constrain the disk's properties. Finally, the most significant result of this work is that we quantified the effects of the interstellar medium and the disk on abundance calculations. Indeed, excluding these contributions can lead to abundances that are 10 times higher than reality. Consequently, the abundances of other highly polluted white dwarfs may need revisions in the future.
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Transport : de l'évolution à la projection en passant par la modélisation
Lavictoire, Frédérik; Mousseau, Normand; Bahn, Olivier (2024-08)
Le secteur des transports est l'un des principaux contributeurs aux émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui le place au cœur des efforts de décarbonation des prochaines décennies. Réduire ces émissions est impératif, et plusieurs stratégies sont envisageables pour y parvenir. Parmi elles, l'électrification des véhicules légers, qui constituent la majeure partie des émissions de ce secteur, se distingue comme une solution particulièrement prometteuse. Toutefois, cette transition entraînera des répercussions significatives sur les systèmes énergétiques et économiques, nécessitant une mise en œuvre soigneusement planifiée. Ce mémoire se divise en deux sections. La première partie, composée des Chapitres 1, 2 et 3, examine la transition vers les véhicules électriques dans la province de Québec en analysant les données sur les voitures en circulation de 2011 à 2021. Le premier chapitre débute par une présentation des défis et des solutions mises en œuvre à travers le monde pour réduire les émissions du secteur des transports. Il aborde ensuite les enjeux spécifiques à la situation du Québec. Le Chapitre 2 quantifie l'augmentation du nombre et de la masse moyenne des véhicules. Cette analyse permet de projeter la composition future d'une flotte électrifiée en fonction des objectifs gouvernementaux et d'estimer la demande en électricité associée selon différents scénarios d'évolution du parc automobile. Cette étude prend également en compte la réduction d'autonomie des véhicules électriques en hiver, lorsque les températures plus basses affectent leur performance. De plus, grâce au mixte énergétique très faible en émissions du Québec, les bénéfices environnementaux de cette transition sont mis de l'avant. Le Chapitre 3 termine cette section en approfondissant certains aspects méthodologiques, notamment en abordant les incertitudes liées aux données analysées. Ces trois premiers chapitre servent d'ailleurs de mise en contexte vers la seconde partie de mon mémoire, présentée au Chapitre 4. Ce chapitre traite de l'implémentation d'un module de transport des passagers dans un modèle d'évaluation intégré nommé MERGE. Ce modèle sert notamment à modéliser l'économie, l'énergie et le climat en séparant le monde en 15 régions et permet de projeter l'effet de politiques environnementales jusqu'en 2100 par incrément de 10 ans. Après une revue de la littérature d'autres modèles similaires ayant déjà une composante de transport, la méthodologie sélectionnée est présentée en détail. L'implémentation du secteur des transports dans MERGE est par la suite validée par l'analyse de résultats selon différents scénarios de décarbonation globale et sectorielle. Dans l'ensemble, ce mémoire offre une compréhension approfondie des défis actuels associés au transport routier des passagers. À l'échelle régionale, il fournit une analyse détaillée de l'évolution de la flotte de véhicules au Québec et projette la demande d'électricité des véhicules électriques. À l'échelle mondiale, il explore les implications économiques, énergétiques et environnementales de cette transition à travers l'ajout d'un module de transport dans un modèle d'évaluation intégré.
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À saveur de $B$: Une analyse des désintégrations des mésons $B$ en 2 mésons pseudoscalaires et en 3 mésons pseudoscalaires sous la symétrie $SU(3)_F$
Jean, Alexandre; London, David (2024-11)
Le modèle standard est le pilier central de la physique des particules. Il a su décrire avec précision les interactions entre les particules et a joué un rôle important dans le développement de la physique moderne. Cependant, celui-ci est incomplet. C'est dans l'espoir de découvrir de la nouvelle physique que nous avons exploré certaines failles du modèle standard, plus particulièrement dans le paradigme des désintégrations hadroniques des mésons B . L'une des questions sur laquelle nous nous sommes penchés est la violation CP. L'interaction faible étant au centre de la désintégration des mésons B, ce système est propice à l'étude de la violation CP. Dans le premier article de ce mémoire, nous discutons de la méthodologie pour étudier les désintégrations vers un état final composé de trois mésons pseudoscalaires dans un état purement antisymétrique. Nous y présentons une méthode pour extraire la phase gamma au centre de l'interaction faible et nous présentons différentes relations existant entre les désintégrations sous la symétrie SU(3)F. Cette symétrie est d'ailleurs le centre de notre recherche pour le deuxième article. Nous y étudions les désintégrations vers deux mésons pseudoscalaires. Utilisant la théorie des groupes pour paramétrer les désintégrations, il est possible d'exprimer les désintégrations avec 13 paramètres théoriques. Ayant assez de données expérimentales pour effectuer un fit sur les paramètres, nous avons pu déterminer que pour bien décrire les données expérimentales, le fit requière une brisure de la symétrie SU(3)F de l'ordre de 1000%. Cette valeur étant largement supérieure à la valeur prédite par le modèle standard, ceci pourrait être une indication de la présence de nouvelle physique.
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Synthèse et caractérisation des propriétés physiques du Sr2FeO4, NiGa3 et du Sr3Fe4O13
Desmarais, Mathieu; Bianchi, Andrea (2024-04)
Au cours de ce projet, nous avons reporté deux nouveaux matériaux : le NiGa3 et le Sr3Fe4O13. Des mesures de magnétisation ont été effectuées sur ce dernier. Trois températures de transition de phase ont été identifiées pour le Sr3Fe4O13 à Ts=(46.0±0.4)K, T1=(20.4±0.4)K et T2=(8.3±0.5)K, montrant une phase magnétique complexe. Sous 8K, la phase est ferromagnétique, supportée par l’hystérèse dans les mesures de M vs H. Le modèle de Curie indique des interactions antiferromagnétiques. Pour le NiGa3, des mesures de chaleur spécifique, de résistivité et de magnétisation ont été effectuées. Les mesures de résistivité en fonction de la température montrent un comportement métallique avec un ordre de grandeur de 106μΩ-cm. Le matériau montre aussi une hystérèse en température entre 283K et 304K. La chaleur spécifique montre une contribution en ∼ T5 à basse température, attribuée à la contribution anharmonique des phonons. Aucune chaleur latente n’a été détectée autour de l’hystérèse en résistivité. Le modèle de Curie appliqué aux mesures de magnétisation montre la présence d’interaction antiferromagnétique. Une hystérèse dans l’inverse du moment magnétique en fonction de la température a également été détectée, avec une variation en fonction du champ magnétique appliqué. Les paramètres de Curie varient en fonction du champ appliqué, attribués à un mécanisme de magnétisme itinérant. Le but original de ce projet était de synthétiser des échantillons monocristallins de Sr2FeO4 et d’en étudier les propriétés thermodynamiques. Une conversion complète de la poudre polycristalline n’a pas été atteinte.
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Négativité d’intrication dans les systèmes de fermions libres inhomogènes
Blanchet, Gabrielle; Vinet, Luc (2024-09)
Nous investiguons l’intrication entre deux régions non-complémentaires dans la chaîne de Krawtchouk, et ce, par le biais de la négativité logarithmique fermionique. Le premier cas étudié concerne deux intervalles adjacents. Nous retrouvons les résultats prédits par une théorie conforme des champs ayant une charge centrale de 𝑐=1. Nous étudions par la suite le cas d’intervalles disjoints. Nous nous concentrons sur le cas squelettique où chaque région ne contient qu’un seul site et sont séparées par une distance 𝑑. Nous commençons par offrir une formule générale du comportement du terme dominant de la négativité logarithmique fermionique pour une grande séparation et pour toute fraction de remplissage (filling fraction) 𝜌, qui dépend de la fonction de corrélation à deux points. Nous trouvons par la suite le comportement de la négativité logarithmique pour des intervalles centrés respectivement autour de $\$ pN \$$ et $\$ \frac{N}{2} \$$ pour tout paramètre $\$ p \$$ et $\$\rho \ll 1 \$$, ainsi que pour $\$ p = \frac{1}{2} \$$ et pour tout $\$ \rho \$$. Nous offrons par la suite une conjecture alliant les deux cas. Le comportement de la négativité logarithmique obtenu concorde avec celui obtenu pour le cas homogène avec des fermions de Dirac où la dimension d’échelle fermionique $\$ \Delta_f \$$ est de $\$ \frac{1}{2} \$$. Par la suite, nous investiguons le cas où le premier site se trouve à une distance $\$ m \$$ du début de la chaîne, et le second à $\$ d + m \$$. Les dimensions d’échelles obtenues dépendent de la parité de $\$ m \$$ : pour un $\$ m \$$ pair, $\$ \Delta_f^{\text{pair}} = \frac{3}{8} \$$, et pour un $\$ m \$$ impair, $\$ \Delta_f^{\text{impair}} = \frac{5}{8} \$$. Les résultats sont supportés par des calculs analytiques et numériques.
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Accelerating the search for mass bumps using BumpNet
Bilodeau, Fannie; Arguin, Jean-François (2024-08)
Depuis la découverte historique du boson de Higgs, les physiciens et physiciennes des particules recherchent assidûment des preuves de nouvelle physique. Malgré le succès du Modèle Standard dans l'élucidation des forces et des particules fondamentales, validé par des expériences telles que celles menées par ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), il présente de nombreuses lacunes. Face à l'absence persistante d'anomalies dans la recherche de nouvelle physique, l'intelligence artificielle apparaît comme une voie prometteuse. Ce mémoire de maîtrise contribue à une recherche de nouvelle physique dans les données de l'expérience ATLAS, en utilisant un modèle d'apprentissage machine, BumpNet. BumpNet représente une approche innovante pour rechercher efficacement de la nouvelle physique dans divers spectres, qui sont en présence de bruit de fond du Modèle Standard strictement décroissants. S'écartant de l'analyse conventionnelle employée dans la physique des particules expérimentale, BumpNet élimine la nécessité d'une estimation simulée ou analytique du bruit de fond. Au lieu de cela, il prédit directement la signification statistique en utilisant un réseau neuronal convolutionnel entraîné à régresser la signification basée sur la log-vraisemblance. Cette nouvelle méthodologie permet d'identifier les excès de masse invariante directement à partir des données, en contournant la nécessité d'une estimation du bruit de fond et en économisant un temps d'analyse considérable. En employant un réseau neuronal convolutionnel entraîné pour détecter les bosses de masse dans les données, BumpNet a le potentiel d'améliorer de manière significative la portée des expériences en sondant de nombreuses régions jusqu'alors inexplorées. L'efficacité de cette méthode a été démontrée par l'identification réussie de diverses particules au-delà du modèle standard dans les données de simulation, par son faible taux de faux positifs et par ses bonnes performances par rapport au test du rapport de vraisemblance. La mise en œuvre avec les données ATLAS de Run 2 est actuellement en cours.
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Implémentation d’un algorithme de reconstruction itératif pour la tomodensitométrie spectrale par comptage de photons
Beaulieu, William; Bouchard, Hugo; Simard, Mikaël (2024-09)
Les quantités physiques des tissus imagés par tomodensitométrie (CT) peuvent être calculées à l'aide d'algorithmes de caractérisation de tissus. Le développement de nouvelles technologies d'imagerie par tomodensitométrie spectrale a stimulé le domaine de nouvelles méthodes de caractérisation de tissus, et de multiples algorithmes existent aujourd'hui à cette fin. Afin de faciliter la comparaison de ces méthodes de caractérisation de tissus, un étudiant du laboratoire de tomodensitométrie spectrale Lambda-lab a récemment développé la librairie Python lambda-lab, une librairie de calcul permettant d'établir un environnement de simulation robuste et fidèle à la réalité pour la tomodensitométrie spectrale. Or, cette librairie de calcul n'inclut qu'un seul type de méthodes de caractérisation de tissus, soit les méthodes de type post-reconstruction. La comparaison de ces méthodes avec des méthodes de type pré-reconstruction est donc impossible actuellement dans la librairie. Afin de résoudre ce problème, ce projet a pour but d'implémenter l'algorithme SIRAS (Algorithme de Reconstruction Statistique pour le CT à comptage de photons), une méthode de caractérisation de tissus pré-reconstruction développée au Lambda-Lab, qui a été conçue pour apporter les bénéfices des méthodes pré-reconstructions aux données bruitées des CT à comptage de photons (SPCCT). Chaque partie de l'algorithme nouvellement implémenté est validée dans un environnement réaliste pour SPCCT à l'aide de méthodes rigoureuses. L'algorithme est implémenté sous la forme d'un paquet Python et intégré à la librairie lambda-lab. Une optimisation de sa performance en termes de temps de calcul est également réalisée, et un gain en rapidité de 3 à 20 fois est obtenu dépendamment de la fonction optimisée. Finalement, une étude comparative est réalisée afin d'observer l'impact des paramètres de régularisation sur la performance de l'algorithme en termes de précision et d'exactitude des paramètres physiques reconstruits. Des résultats similaires à ceux obtenus dans l'implémentation originale de l'algorithme sont obtenus dans l'étude réalisée. Les résultats de cette dernière, combinées aux résultats des différentes validations réalisées, attestent de la qualité excellente de l'implémentation réalisée. La nouvelle implémentation réalisée dans ce travail sera éventuellement testée sur les images réelles produites par le micro-SPCCT de la compagnie MARS Bioimaging, disponible au laboratoire Lambda-lab.
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Modélisation Monte-Carlo d'un appareil de traitement par radiothérapie à très haut débit de dose
Audet, Samuel; Lalonde, Arthur; Bouchard, Hugo (2024-09)
La radiothérapie à débit de dose ultra-élevée (UHDR), ou radiothérapie FLASH (RT-FLASH), suscite l'intérêt des chercheurs à travers le monde depuis quelques années pour son efficacité à traiter des tumeurs tout en réduisant les effets indésirables aux tissus sains. Même s'il est théoriquement possible d'obtenir des faisceaux UHDR avec n'importe quel type de particule, des défis techniques limitent cette technologie à l'utilisation de faisceaux de protons et d'électrons. Comme les faisceaux d'électrons sont beaucoup plus accessibles, la majorité des recherches et applications sur la RT-FLASH se font avec ce type de faisceau. Cependant, vu l'absence de protocole de dosimétrie de référence appliqué aux faisceaux UHDR et un nombre limité de détecteurs utilisables avec ce type de débit, il peut être difficile de mener des études précliniques précises sur la RT-FLASH. Le calcul de dose par simulation Monte-Carlo (MC) est considéré comme le moyen le plus fiable et précis en ce qui concerne la dosimétrie dans un contexte non standard. Avec l'utilisation de débit de dose UHDR, on se retrouve dans un scénario physique limite, dans lequel différents phénomènes, normalement négligeables en contexte standard, peuvent avoir lieu dans les matériaux irradiés ainsi que dans l'appareil de traitement. L'absence de système de filtration des faisceaux dans certains appareils UHDR complexifie d'autant plus le problème, nécessitant l'utilisation de modèle MC complexe. Dans le cadre de ce mémoire, on propose d'améliorer les approches de modélisation MC traditionnelles pour prendre en compte les particularités des faisceaux FLASH. En particulier, la modélisation de l'accélération des électrons à l'intérieur du guide d'onde et la considération des variations temporelles ont permis d'obtenir un modèle d'énergie de la source qui améliore la performance du modèle MC. Cette nouvelle approche est entièrement basée sur des arguments physiques, contrairement aux approches disponibles dans la littérature.
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Étude de décharges Ar-NH3 en simple et double fréquence à la pression atmosphérique
Robert, Raphaël; Stafford, Luc; Massines, Françoise (2023-08)
L’objectif de cette thèse est d’acquérir une meilleure connaissance des décharges à barrières diélectriques basse fréquence et double fréquence BF-RF (50 kHz – 5 MHz), en Ar-NH3 à la pression atmosphérique, notamment à travers l’étude de leurs propriétés spatio-temporelles. Dans ce contexte, des mesures d’émission et d’absorption spectroscopiques, résolues dans l’espace et /ou le temps, incluant des cartographies sur un cycle BF (20 µs) résolues à l’échelle de la RF (7 ns) ainsi que des mesures électriques ont été confrontées avec un modèle fluide 1D. Dans un premier temps, la comparaison de l’évolution de la densité d’argon métastable entre le modèle et la mesure a mis en évidence l’influence des photons VUV sur l’émission secondaire et donc sur l’auto-entretien de la décharge basse fréquence et double fréquence. En double fréquence, l’étude de l’effet de l’amplitude de la tension RF démontre l’influence du niveau d’ionisation RF sur le claquage . Plus l’amplitude de la tension RF est importante, plus la densité du plasma RF  est élevée et plus la tension appliquée au gaz nécessaire pour obtenir le mode  diminue. Ainsi, la densité d’électrons augmente, alors que la densité des espèces formées par des électrons de haute énergie (Ar(1s) et Ar(2p)) décroit. Ensuite, la dissymétrie du courant à l’échelle RF est expliquée par la présence continue d’une gaine cathodique oscillante à l’échelle de la fréquence RF. Ainsi, nous avons montré que le transport des charges est contrôlé par la tension BF dans la gaine et par la tension RF dans le volume. Enfin, la physico-chimie de ces décharges en mélange Penning Ar-NH3 a été explorée à travers la caractérisation des produits de décomposition de NH3 visibles en spectroscopie d’émission optique, et en particulier, l’émission liée à la désexcitation du H2(a) observée à autour de 200 nm. En couplant expérience et modélisation, un nouveau mécanisme de formation de H2(a) en post-décharge a été proposé. En s’appuyant sur le modèle 1D, le degré de dissociation de NH3 a été estimé et les mesures en fonction du temps de résidence de NH3 dans le plasma ont, en particulier, montrées que la décharge homogène peut se propager le long des lignes de flux sans changer de régime.
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Probing the elemental composition of gas giant exoplanets in the context of their formation and evolution
Pelletier, Stefan; Benneke, Björn (2023-08)
Relier la composition atmosphérique des planètes géantes aux conditions de formation dans le disque protoplanétaire est un objectif de longue date de la communauté scientifique planétaire. C’est d’ailleurs un des facteurs qui a motivé l’envoi de satellites spatiaux vers les planètes géantes du système solaire externe, pour tenter de déterminer leur composition atmosphérique. Mais si je vous disais que certaines choses sont plus faciles à mesurer sur des exoplanètes situées à des centaines d’années-lumière de nous que sur Jupiter ou Saturne dans notre propre arrière-cour cosmique, me croiriez-vous ? Dans cette thèse, nous utilisons la spectroscopie à haute résolution avec différents instruments pour caractériser les atmo- sphères des exoplanètes géantes chaudes et en tirer toute information possible sur ce que leur composition présente implique vis-à-vis de leur historique de formation et d’évolution. Dans une première étude, nous avons utilisé le spectrographe à haute résolution dans le proche infrarouge SPIRou pour observer l’émission thermique de la Jupiter chaude non transitante τ Boo b. Nos résultats ont révélé la présence d’une forte absorption de CO, mais une absence nette de signal du H2O. Grâce à un nouveau cadre d’analyse, nous avons pu déduire de manière robuste la forme de la structure verticale de température du côté jour de τ Boo b et contraindre les abondances de toutes les principales molécules contenant de l’oxygène et du carbone dans son atmosphère. Ceci nous a permis de dériver une abondance de C/H en phase gazeuse qui est élevée par rapport à celle du Soleil, comparable au niveau d’enrichissement de Jupiter. Nous avons également exploré l’hypothèse que la composition atmosphérique de τ Boo b pourrait être le résultat de son historique de formation, si elle s’est formée près de la ligne de glace du CO en accrétant du gaz enrichi. Dans un second projet, nous avons utilisé le spectrographe optique haute résolution MAROON-X pour observer l’exoplanète géante ultra-chaude WASP-76b alors qu’elle pas- sait devant son étoile hôte. Ces données nous ont permis de détecter 16 espèces dans son atmosphère, y compris une première détection sans ambiguïté de la molécule d’oxyde de vanadium, considérée comme le moteur des inversions thermiques. En mesurant l’abondance relative des espèces observées, nous avons pu découvrir une transition abrupte dans la tem- pérature de condensation : où les éléments étaient soit dans des proportions proches de celles du soleil par rapport au fer, soit appauvris par des ordres de grandeur s’ils avaient des tem- pératures de condensation supérieures à 1550K. Nos résultats ont également montré que presque toutes les espèces détectées ont des signaux d’absorption asymétriques, indiquant que WASP-76b a probablement un hémisphère plus froid ou plus nuageux que l’autre. Enfin, dans une troisième étude, nous avons observé l’émission thermique du côté jour de la Jupiter ultra-chaude WASP-121b en utilisant les spectrographes à haute résolution CRIRES+ et ESPRESSO. Avec cet ensemble de données combinées couvrant les longueurs d’onde optiques et proche infrarouge, nous avons pu détecter des signaux d’émission de CO, H2O, Fe, et Ni, indiquant que l’atmosphère de WASP-121b a une inversion thermique. Grâce à une analyse de récupération, nous avons ensuite mesuré simultanément et avec précision les abondances de C, O, Fe, et Ni, constatant que les éléments C et O, plus volatils, sont plus abondants que le Fe et Ni réfractaire. De cette composition atmosphérique déduite, nous avons pu conclure que WASP-121b a probablement accrété son enveloppe à une séparation orbitale beaucoup plus grande que sa position actuelle, à partir d’un matériau riche en glace. Avec ces travaux, nous avons démontré la puissance des instruments et des techniques dis- ponibles aujourd’hui pour extraire beaucoup d’informations sur les atmosphères des Jupiters chaudes et ultra-chaudes. En particulier, la capacité de mesurer leur composition avec une grande précision nous a permis d’explorer des liens potentiels avec la formation, ce qui peut nous donner un aperçu des mécanismes physiques qui permettent la formation des planètes géantes. Cependant, il reste encore beaucoup à faire et nous espérons continuer à repousser les limites de ce que nous pouvons réaliser avec la spectroscopie à haute résolution, ainsi qu’à exploiter les synergies avec les observations complémentaires qui peuvent être obtenues avec des télescopes spatiaux tels que le JWST.
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Improving the search for new physics and the identification of electrons using machine learning at the ATLAS experiment
Pascual Dias, Bruna; Arguin, Jean-François (2024-08)
L’étude des collisions à haute énergie par l’expérience ATLAS au Grand Collisioneur d’Hadrons (LHC, de l’anglais Large Hadron Collider) est essentielle pour tester la validité du modèle standard de la physique des particules (SM, de l’anglais Standard Model of particle physics), le cadre théorique actuel qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions, ainsi que pour établir des limites dans ses possibles extensions. Compte tenu du début de sa troisième période de prise de données et de la prochaine génération d’accélérateurs, l’expérience ATLAS est confrontée à des défis liés à la haute dimensionnalité des signaux enregistrés et à la grande quantité de données encore inexplorées. Dans ce contexte, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond a un grand potentiel pour améliorer la performance de la classification des objets physiques à l’origine de ces signaux, ainsi que pour fournir de nouveaux outils pour effectuer une inférence statistique rapide à partir des données. Cette thèse présente des applications des techniques d’apprentissage profond dans l’algorithme d’identification des électrons, ainsi qu’une nouvelle stratégie de recherche de résonances dans les distributions de masse invariantes avec l’expérience ATLAS. Tout d’abord, de nouvelles mesures de l’efficacité de l’algorithme actuel d’identification des électrons sont présentés, en utilisant les données enregistrées au début du Run 3, ainsi que le retraitement des données du Run 2 avec la nouvelle version du logiciel utilisé par ATLAS. Une légère réduction des écarts entre les valeurs obtenues à partir des événements simulés et les données expérimentales est observée, une conséquence des améliorations apportées au logiciel utilisé par ATLAS avant le début du Run 3. Ensuite, le développement d’un nouvel algorithme d’identification des électrons est présenté, où les informations brutes du détecteur sont traitées sous forme d’images via un réseau neuronal convolutif. Une étude de l’importance de ses variables d’entrée montre la pertinence de toutes les variables considérées actuellement. En outre, le rejet de la classe de bruit de fond la plus importante diminue lorsqu’un modèle entrainé avec des exemples provenant des simulations est utilisé pour rejeter des examples obtenus à partir de données expérimentales. Nous montrons que ce pouvoir de rejet est récupéré si ces exemples de données sont incorporés dans la formation. Enfin, nous présentons une nouvelle stratégie de recherche de résonances dans des histogrammes de masse invariante. Elle utilise un réseau neuronal pour prédire de la signification statistique locale des résonances à partir des entrées dans l’histogramme. La mise en œuvre de cette méthode à l’aide de données de simulation réalistes donne de bons résultats, avec la prédiction de l’importance maximale au sein d’un histogramme ne présentant aucun biais et peu de variance. Les travaux visant à mettre en œuvre cette méthode dans le cadre de l’expérience ATLAS sont également présentés, y compris la production d’histogrammes de masse invariants à l’aide de données de simulation ATLAS.
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Modélisation de la cinétique des interactions entre l’hydrogène et les défauts dans le Fer à l’aide de la technique d’activation et de relaxation cinétique (ARTc)
Khosravi, Aynour; Mousseau, Normand (2024-10)
Le fer et les alliages à base de fer sont d'une importance cruciale dans les domaines de la science des matériaux et du génie en raison de leurs nombreuses applications industrielles, notamment dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'énergie. Ces matériaux sont prisés pour leur haute résistance mécanique, leur ductilité et leur résistance à la corrosion, mais leur performance peut être significativement affectée par la présence d'hydrogène, qui peut entraîner la fragilisation par l'hydrogène (Hydrogen Embrittlement, HE). La fragilisation par l'hydrogène est un phénomène où la ductilité et la résistance à la fracture du matériau sont réduites en raison de l'infiltration et de l'interaction de l'hydrogène avec le métal. Cette thèse examine la diffusion et l'interaction de l'hydrogène (H) et des complexes H-lacune et H-frontière de grain dans le fer cubique centré (BCC) en utilisant la Technique d'Activation-Relaxation Cinétique (ARTc), une méthode avancée de Monte Carlo cinétique hors-réseau. Les principaux objectifs sont de modéliser la cinétique des interactions de l'hydrogène avec les défauts dans le fer, fournissant une compréhension complète des mécanismes derrière la HE. Les domaines clés d'investigation incluent : 1. Diffusion de l'hydrogène : Cette étude révèle que les atomes d'hydrogène peuvent diffuser rapidement et que la méthodologie ARTc découvre des chemins de diffusion complexes pour les complexes liés à l'hydrogène, révélant des variations significatives des barrières de diffusion en fonction des relations géométriques entre les atomes de fer et l'hydrogène lié. L'utilisation de ARTc permet l'exploration détaillée des chemins de diffusion et l'identification des principales barrières énergétiques qui régissent le mouvement de l'hydrogène et des défauts au sein du réseau de fer. 2. Interactions Hydrogène-lacune : Nos recherches montrent que l'hydrogène peut stabiliser les lacunes, conduisant à la formation de microvides et contribuant à l'embrittlement du matériau. À mesure que plus d'atomes d'hydrogène sont ajoutés, les lacunes se déforment et affectent le réseau sur de plus longues distances, augmentant la barrière de diffusion des complexes VHx et leur impact sur l'environnement local. 3. Effets des frontières de grain : En investiguant l'influence de l'hydrogène sur les frontières de grain dans le fer, les résultats suggèrent que la présence d'hydrogène aux frontières de grain modifie leur paysage énergétique, les rendant plus susceptibles à l'embrittlement. De plus, la présence d'hydrogène aux frontières de grain (GB) stabilise les frontières en déplaçant les barrières de diffusion vers des valeurs plus élevées et en réduisant le nombre d'événements de diffusion. Nous examinons également le comportement des lacunes et leur diffusion dans les frontières de grain saturées en H pour comprendre les lacunes observés aux pointes de fissure dans les études expérimentales. Dans l'ensemble, cette thèse fournit un examen détaillé des changements dans le paysage énergétique des défauts dans le fer BCC en présence d'hydrogène, offrant des insights sur les mécanismes concurrents de la HE. Ces résultats forment la base de futures études visant à relier les évolutions microscopiques aux propriétés mécaniques macroscopiques du fer, contribuant à une compréhension plus large et à l'atténuation de l'embrittlement par l'hydrogène dans les applications industrielles.
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Compréhension des mécanismes réactionnels dans un procédé hybride de dépôt de couches minces nanocomposites couplant plasma et injection de solution colloïdale
Chouteau, Simon; Stafford, Luc; Granier, Agnès (2024-04)
Ce travail de thèse se place dans le contexte du dépôt de couches minces nanocomposites par des procédés à plasma à basse pression assistés par aérosols. Cinq études ont été réalisées dans le but de comprendre les mécanismes fondamentaux propres à ce type de procédé. Dans un premier temps, l’étude de la croissance des couches minces nanocomposites par ellipsométrie spectroscopique in situ a montré que l’apport de matière à l’échantillon se faisait alternativement riche en matériau matrice, puis en nanoparticules. Par la suite, l’étude microscopique de la surface des échantillons et la simulation de l’évaporation des gouttelettes dans le plasma a permis d’identifier l’ébullition « flash » comme étant le mécanisme principal de pulvérisation des aérosols dans le plasma à basse pression. Dans un troisième temps, l’étude de l’interaction aérosol-surface a permis de mettre en évidence l’apparition de l’évaporation « stick-slip » puis de l’effet Leidenfrost sur les surfaces chaudes. Ensuite, des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues en temps couplées à un modèle collisionnel-radiatif ont permis d’examiner l’interaction aérosol-plasma suite à l’injection pulsée de liquide dans un plasma d’argon. Ainsi, l’évolution temporelle des propriétés fondamentales du plasma ont été déterminées, mettant en évidence les variations de température électronique et de densité électronique provoquées par l’injection d’aérosol. Enfin, les connaissances tirées des études précédentes ont été mises en application lors de la synthèse de couches minces nanocomposites contenant des nanomatériaux de natures variées, à savoir des clusters moléculaires, des nanoparticules sphériques et des nanotubes de carbone.
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Étude de l'atmosphère de la Jupiter chaude WASP-80 b par spectroscopie d'éclipse secondaire avec JWST/NIRISS
Morel, Kim; Lafrenière, David (2024-07)
La spectroscopie d'éclipse secondaire dans l'infrarouge proche permet de caractériser les atmosphères d'exoplanètes en détectant leur émission thermique et leur lumière réfléchie, fournissant de l'information sur leur structure thermique et leurs aérosols. Ces derniers affectent la balance énergétique d'une planète, qui peut être quantifiée avec des mesures d'albédo. Ce mémoire porte sur l'analyse du spectre d'éclipse secondaire de WASP-80 b entre 0,69 et 2,83 $\mu$m obtenu avec des données de l'instrument NIRISS en mode SOSS du JWST, incluant les premières mesures en deçà de 1,1 $\mu$m pour cette exoplanète. WASP-80 b est une des rares Jupiters chaudes en orbite autour d'une étoile naine M. Le spectre obtenu est dominé par la lumière réfléchie, suggérant la présence d'aérosols sur le côté jour de la planète, en accord avec des études antérieures. Les observations permettent de contraindre l'albédo géométrique associé à la lumière réfléchie pour les longueurs d'onde de SOSS à une valeur de $0,17\pm0,05$. Cette mesure permet d'estimer que l'albédo de Bond est $A_\mathrm{B}<0,33$, en accord avec les prédictions de recirculation de chaleur efficace dans l'atmosphère de planètes ayant des températures similaires à celle de WASP-80 b. En comparant le spectre de lumière réfléchie avec des modèles de nuages, la présence de nuages de silicates est exclue alors que des compositions de Cr ou de Na$_\mathrm{2}$S pourraient expliquer les observations.
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Conception et construction d'un nouveau type de détecteur PICO, ayant pour but de valider la pertinence d'avoir des parois en plastique souple
Monette, Valérie; Robinson, Alan (2023-04)
La collaboration scientifique PICO a comme but de développer des détecteurs pour découvrir la matière sombre. Bien que le modèle standard de la physique des particules décrit bien la matière qui nous entoure, plusieurs phénomènes nous indiquent qu'il reste d'autres particules à ajouter à ce modèle. Les recherches montrent que la matière connue ne représente que 5% de toute la masse-énergie contenue dans l'Univers, ce qui laisse place à découvrir les 95% restants. Le groupe PICO se spécialise dans la détection de matière sombre en utilisant les chambres à bulles. Les chambres à bulles de PICO ont été très performantes au cours des dernière décennies, mais elles ont récemment atteint leur apogée. Ce mémoire a pour but d'évaluer une autre approche quant au design des détecteurs pour voir s'il y a de nouvelles technologies permettant de poursuivre l'utilisation des chambres à bulles. Cependant, des contraintes mécaniques, de radiopureté, financières et techniques s'appliquent sur les matériaux utilisés pour la construction de la chambre. Nous nous intéressons donc à voir si l'utilisation d'un sac en nylon pour remplacer la jarre en verre qui contient le fréon amènerait une approche novatrice à la jarre. Afin d'évaluer cette idée, la construction d'un modèle réduit de la chambre à bulles, nommé NBBC (\textit{Nylon Bac Bubble Chamber}), a été mis sur pied. Si le concept fonctionne réellement, ce détecteur justifierait la création d'un modèle plus gros que tout ce qui a été réalisé jusqu'à présent en termes de détection par chambre à bulles. Ce mémoire présente toutes les étapes nécessaire à la réalisation de la chambre test NBBC, en commençant par un bref historique des détecteurs déjà existants. Les principes du fonctionnement de la chambre sont ensuite exposés, suivis d'une description de tous les circuits électriques développés et de tous les codes écrits. Finalement, les tests effectués sont présentés et le dernier chapitre est dédié aux conclusions obtenues et aux conseils sur la poursuite du projet.
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Étude du supraconducteur non-conventionnel Ce₃PtIn₁₁ par spectroscopie muonique
Laughrea, Sébastien; Bianchi, Andrea (2024-08)
Ce mémoire porte sur la détermination de la structure magnétique du supraconducteur et fermion lourd Ce₃PtIn₁₁ dans l’état supraconducteur par spectroscopie muonique afin de vérifier l’existence de la phase antiferromagnétique dans la phase supraconductrice. Il est suggéré que l’effet Kondo écrante le champ magnétique du site Ce(1) qui serait responsable de la supraconductivité et le site Ce(2) serait plutôt responsable de l’ordre magnétique. Les mesures ont été prises sur une mosaïque de monocristaux cultivés en laboratoire préalablement au début de ce mémoire par spectroscopie muonique. Au site muonique dans l’état supraconducteur, un champ magnétique entre 45.4(1.1)G et 48.7(1.3)G au site Ce(1) et entre 120(4)G et 132(3)G au site Ce(2) est mesuré, appuyant l’hypothèse de départ. Les sites possibles d’implantation de muons dans la cellule cristalline du Ce₃PtIn₁₁ ont été calculés pour les quatre structures magnétiques proposées par Shioda et al. Ces sites ont été visuellement comparés à la distribution de densité électronique dans la cellule cristalline du Ce₃PtIn₁₁ mais il n’a pas été possible de confirmer ou infirmer la présence d’une des quatre structures. Un échantillon de CeIn₃ a été analysé pour vérifier l’impact d’une contamination de 5-10% dans l’échantillon de Ce₃PtIn₁₁. L’absence de signal de précession dans la gamme de température d’intérêt indique qu’une contamination en CeIn₃ n’aurait pas d’impact significatif sur l’interprétation des champs magnétiques. La croissance de nouveaux échantillons de Ce₃PtIn₁₁ polycristallin et de Ce₃PtIn₁₁ et CeIn₃ monocristallins a également été effectuée. Le pourcentage de Ce₃PtIn₁₁ polycristallin calculé par diffraction aux rayons-X est de 55.49790%, et la croissance de Ce₃PtIn₁₁ monocristallin n’a pas réussi. Le pourcentage de CeIn₃ monocristallin calculé par diffraction aux rayons-X est de 93.6291%, et la caractérisation du CeIn₃ par chaleur spécifique concorde avec les résultats antérieurs avec une transition de phase près de 10K.

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