Im Jahr 2013 ist es dem IceCube-Experiment gelungen, einen Fluss von Neutrinos extraterrestrischen Ursprungs nachzuweisen, und damit das Neutrino als weiteres kosmisches Botenteilchen zu etablieren. Die Frage nach dem Ursprung der Neutrinos, die einen komplementären Blick auf die Quellen bieten, kann möglicherweise die alte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung lösen. Zeitunabhängige Suchen nach Neutrinoquellen konnten bisher keine einzelnen Kandidaten isolieren. Zeitlich veränderliche Quellen kommen daher als Ursprung in Betracht. IceCube ermöglicht es, kontinuierlich den gesamten Himmel nach aufflackernden Neutrinoquellen abzusuchen und die astronomische Gemeinschaft schnellstmöglich zu benachrichtigen. In dieser Arbeit wird die Echtzeitidentifikation und -rekonstruktion von Myonneutrinokandidaten mit IceCube verbessert. Die erreichte Sensitivität ist mit etablierten nicht-Echtzeit Analysen vergleichbar. Kontinuierlich vom Experiment am Südpol übermittelte Informationen werden sofort auf bemerkenswerte Ereignisse hin analysiert. Bekannte astrophysikalische Quellen von Gammastrahlung werden auf Neutrinoemission hin beobachtet. Eine verallgemeinerte Methode erlaubt die Suche nach Signalen überall, unbeeinflusst von vorher bekannten Quellen. Weiterhin werden die hochenergetischsten Neutrinokandidaten, die wahrscheinlich astrophysikalischen Ursprungs sind, sofort identifiziert und global bekannt gemacht. Abschließend werden die Suchalgorithmen am Beispiel zweier Blazare demonstiert, 1ES 1959+650 und TXS 0506+56. In letzterem Fall wurden erstmals Anzeichen für eine Quelle hochenergetischer, kosmischer Neutrinos gefunden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Infrastruktur erlaubt es, die astronomische Gemeinschaft auf signifikante Neutrinoereignisse, oder sich entwickelnde Neutrinocluster hinzuweisen. Auch die zügige Suche nach Neutrinos in Reaktion auf interessante astrophysikalische Ereignisse, wie z.B. Gravitationswellen, ist möglich. / The discovery of an flux of neutrinos of astrophysical origin with the IceCube experiment in 2013 has broadened our understanding of cosmic messengers and opened a new window on the universe. By addressing the newly pertinent question about their sources, neutrinos can provide a complementary view on cosmic accelerators and may help solving the long-standing puzzle of the origin of the cosmic rays. As traditional time-integrated searches for sources of neutrinos have not been able to isolate individual candidates, variable and transient sources shift into focus. IceCube's design allows to continuously search the entire sky for neutrino flares, and alert the community with the lowest possible latency in the case of a detection. This thesis improves the identification and reconstruction of muon neutrino candidates with IceCube in real-time, achieving a sensitivity comparable to dedicated offline analyses. The stream of neutrino candidates is analyzed for interesting events in order to alert partner experiments and inspire follow-up observations. First, known gamma-ray emitters are monitored for time-variable neutrino emission. Second, a generalization of this method monitors the entire sky for neutrino flares, regardless of pre-defined source lists. Third, the most-energetic neutrino candidates with the highest chance to be of astrophysical origin are selected for alerts. Eventually, the search methods are applied to the blazars 1ES 1959+650 and TXS 0506+056. In the latter case, evidence for source of high-energetic, astrophysical neutrinos was found for the first time. The infrastructure built in this work allows to notify the community whenever significant neutrino events are recorded, or significant flares develop on time-scales from days to weeks. It also allows to quickly perform neutrino follow-up searches in response to interesting astrophysical events, such as the observation of gravitational waves.

<p>In recent years, there has been a large interest in the subject of extra dimensions in particle physics. In particular, a number of models have been suggested which provide solutions to some of the problems with the current Standard Model of particle physics, and which could be tested in the next generation of high-energy experiments. Among the most important of these models are the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopoulos, and Dvali, the universal extra dimensions model, and models allowing right-handed neutrinos to propagate in the extra dimensions. In this thesis, we study phenomenological aspects of these three models, or simple modifications of them.</p><p> </p><p>The Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model attempts to solve the gauge hierarchy problem through a volume suppression of Newton's gravitational constant, lowering the fundamental Planck scale down to the electroweak scale. However, this solution is unsatisfactory in the sense that it introduces a new scale through the radius of the extra dimensions, which is unnaturally large compared to the electroweak scale. It has been suggested that a similar model, with a hyperbolic internal space, could provide a more satisfactory solution to the problem, and we consider the hadron collider phenomenology of such a model.</p><p> </p><p>One of the main features of the universal extra dimensions model is the existence of a potential dark matter candidate, the lightest Kaluza-Klein particle. In the so-called minimal universal extra dimensions model, the identity of this particle is well defined, but in more general models, it could change. We consider the indirect neutrino detection signals for a number of different such dark matter candidates, in a five- as well as a six-dimensional model.</p><p> </p><p>Finally, right-handed neutrinos propagating in extra dimensions could provide an alternative scenario to the seesaw mechanism for generating small masses for the left-handed neutrinos. Since extra-dimensional models are non-renormalizable, the Kaluza-Klein tower is expected to be cut off at some high-energy scale. We study a model where a Majorana neutrino at this cutoff scale is responsible for the generation of the light neutrino masses, while the lower modes of the tower could possibly be observed in the Large Hadron Collider. We investigate the bounds on the model from non-unitarity effects, as well as collider signatures of the model.</p>

A partir des années 1990, la spectroscopie d'impulsion d'ions de recul s'est imposée comme l'outil idéal pour l'étude des collisions ion-atome et ion -molécule. Le développement de cette technique expérimentale au cours des vingt dernières années est ici détaillé et illustré par des résultats marquants obtenus dans ce domaine au GANIL (CAEN) et au J.R. MacDonald Laboratory (Kansas State University). La spectroscopie d'impulsion d'ions de recul se trouve être également particulièrement bien adaptée à la mesure du paramètre de corrélation angulaire b-v en décroissance b L'expérience LPCTrap, installée au GANIL, est basée sur l'utilisation de cette technique et d'un piège de Paul pour le confinement des noyaux radioactifs. Les mesures précises qui ont été réalisées permettent à la fois de tester certaines hypothèses essentielles du Modèle Standard des particules élémentaires et d'étudier le processus d'ionisation par " shakeoff " de l'électron.

Nesta tese, realizamos dois tipos de estudos fenomenológicos através de uma análise detalhada de alguns experimentos terrestres atuais e futuros. No primeiro, estudamos dois mecanismos exóticos de conversão de sabor: descoerência quântica e interações não padrão do neutrino com a matéria. Para descoerência, vinculamos o parâmetro de descoerência bem como testamos como distinguir a solução de descoerência pura do mecanismo padrão de oscilação no contexto de duas gerações. No caso das interações não padrão, assumimos que esta é subdominante frente ao mecanismo de oscilação padrão, e encontramos os possíveis limites que poderão ser obtidos para essas interações utilizando uma fábrica de neutrinos futura. No segundo tipo de estudo, determinamos os parâmetros de oscilação solares pela análise combinada dos dados dos neutrinos solares e de KamLAND, e estimamos a precisão nos parâmetros de mistura atmosféricos que poderá ser atingida pelos experimentos de LongBaseLine futuros MINOS, ICARUS e OPERA. Por fim, investigamos a possibilidade dos experimentos futuros do duplo decaimento sem neutrinos de determinar os parâmetros de não oscilação. / In this thesis, we have done two kind of phenomenological studies through a detailed analysis of present and future terrestrial experiments. In the first study, we analyze two exotic mechanisms of flavour conversion: quantum decoherence and non-standard neutrino-matter interactions. In the case of decoherence, we impose constraints on the decoherence parameter and test how to distinguish between the pure decoherence solution and the standard neutrino ascillation mechanism in the contexto f two neutrino generations. For non-standard interactions, assuming it as a sub-leading process compared to the standard oscillation, we find the possible limits that can be achieved on the strength of these interactions using a future neutrino factory. In the second part of the study, we determine the solar oscillation parameters using a combined analysis of solar neutrino and KamLAND data, and estimate the precision on the atmospheric mixing parameters by that can be accomplished by the LongBaseline experiments MINOS, ICARUS and OPERA. Finally, we investigate the capability of future neutrinoless Double beta decay experiments to determine the non-oscillation parameters.

Le détecteur MUNU, destiné à l'étude de la diffusion neutrino sur électron à l'aide des antineutrinos émis par un réacteur nucléaire, est constitué d'une chambre à projection temporelle (TPC) contenant du gaz CF4. L'objectif de la thèse était de déterminer si un détecteur basé sur le même principe pouvait être envisagé pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos solaires de basse énergie. Pour cette étude, trois aspects étaient essentiels : la résolution en énergie, la résolution angulaire et le bruit de fond du détecteur. Les deux premiers car l'énergie du neutrino est reconstituée à partir de l'énergie et de la direction initiale de l'électron de recul. Le troisième car le faible nombre d'interactions attendu impose un niveau de bruit de fond très bas. Dans un premier temps, une revue détaillée de la physique des neutrinos solaires du point de vue théorique mais aussi expérimental est réalisée puis les caractéristiques du détecteur MUNU et son principe de fonctionnement sont exposés. Ensuite, les performances du détecteur sont abordées successivement : les méthodes d'étalonnage en énergie développées et la résolution en énergie qui en découle ; la détermination de la direction initiale des électrons et la résolution angulaire associée ; et enfin les différentes sources de bruit de fond rencontrées ainsi que les taux d'événements induits. Finalement, les résultats de la simulation de la détection des neutrinos solaires sont présentés. Ils mettent en évidence les améliorations nécessaires et les points exigeant des études supplémentaires.

This thesis is an investigation of the subject of extra dimensions in particle physics. In recent years, there has been a large interest in this subject. In particular, a number of models have been suggested that provide solutions to some of the problem with the current Standard Model of particle physics. These models typically give rise to experimental signatures around the TeV energy scale, which means that they could be tested in the next generation of high-energy experiments, such as the LHC. Among the most important of these models are the universal extra dimensions model, the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopolous, and Dvali, and models where right-handed neutrinos propagate in the extra dimensions. In the thesis, we study phenomenological aspects of these models, or simple modifications of them. In particular, we focus on Kaluza–Klein dark matter in universal extra dimensions models, different aspects of neutrino physics in higher dimensions, and collider phenomenology of extra dimensions. In addition, we consider consequences of the enhanced renormalization group running of physical parameters in higher-dimensional models. / QC 20120427

Le télescope ANTARES, grâce auquel j'ai réalisé mon travail de thèse, permet d'étendre notre observation de l'univers au travers des neutrinos. Celui-ci est maintenant arrivé au terme de sa construction au large des côtes méditerranéennes à une profondeur de ~2500m et consiste à détecter, par l'intermédiaire de photomultiplicateurs, la lumière Čerenkov produite lors du passage d'un muon (produit de l'interaction neutrino/milieu terrestre par courant chargé) dont la vitesse est supérieur à la vitesse de la lumière dans lemilieu (l'eau). Sa direction reconstruite nous permet alors d'en déduire son origine. Nous sommes actuellement à 12 lignes déployées et connectées sur le site depuis la fin Mai 2008 avec lesquelles un très grand nombre de muons ont déjà été collectés. Chaque ligne verticale possède une batterie de 25 étages équipés chacun de trois PMTs avec l'électronique associée. Ma thèse a donc consisté à calibrer, avant le déploiement de chaque ligne, les photomultiplicateurs en temps et en charge afin d'en extraire les données nécessaires à la reconstruction et l'identification de traces de muons montants ou descendants (d'origine astrophysique ou atmosphérique). Ainsi, c'est grâce aux informations directionnelles que la détection indirecte de matière noire devient possible dans le cas par exemple de son auto-annihilation au sein du Soleil.

L'objectif de cette thèse est la recherche des neutrinos cosmiques de haute énergie émis par des sources ponctuelles avec le télescope á neutrino ANTARES. La détection des neutrinos cosmiques de haute énergie peut apporter des réponses à des problèmes importants comme l'origine des rayons cosmiques et les procédures d'émission des rayons $\gamma$. Dans la première partie de la thèse, le flux des neutrinos émis par des sources galactiques et extragalactiques et le nombre des événements qui peut être détecté par ANTARES sont estimés. Cette étude utilise les spectres des rayons $\gamma$ des sources connues en tenant compte de l'absorption de ces rayons par la lumière extragalactique diffuse. Dans la deuxième partie de la thèse, le pointage absolu du télescope ANTARES est étudié. Étant situé à une profondeur de 2475 m dans l'eau de mer, l'orientation du détecteur est déterminée par un système de positionnement acoustique qui utilise des ondes de basse et haute fréquences entre la surface de la mer et le fond. La troisième partie de la thèse est la recherche des sources ponctuelles de neutrinos avec les données d'ANTARES. L'algorithme de recherche est basé sur une méthode de maximisation du rapport de vraisemblance. Il est utilisé dans deux stratégies de recherche; ''la stratégie de recherche avec des sources candidates'' et ''la stratégie de recherche dans tout le ciel''. L'analyse des données de 2007+2008 n'a pas marqué une découverte. Les meilleures limites supérieures au monde sur les flux de neutrinos provenant des différentes sources dans l'Hémisphère Sud sont établies.

The CNO cycle consists of a set of nuclear reactions that convert hydrogen into helium and releases energy in stars. The cycle contributes less than 1% to our Sun's luminosity, but it is responsible for detectable neutrino fluxes that can bring direct information of the physical conditions in the solar core, provided that the nuclear reaction rate is known with sufficient precision. The 14N(p,γ)15O is the slowest reaction in the CNO cycle and estabilishes its rate. The experimental study has been performed both at the LUNA 400 kV accelerator deep underground in the Gran Sasso mountain in Italy and at a 3 MV Tandetron in the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. A proton beam was sent on solid TiN targets and the prompt photons were collected by a composite HPGe detector (at LUNA) or by up to four HPGe detectors (Dresden). The obtained results improve the fit of the excitation function in the R-matrix framework, that is used to extrapolate the S-factor at the very low astrophysical energies. In addition, the strength of two resonances at Ep = 430 and 897 keV of the 15N(p,αγ)12C reaction were measured, improving the precision for hydrogen depth profiling.

[pt] A oportunidade ímpar da construção do primeiro laboratório subterrâneo no Hemisfério Sul precisa ser alicerçada com importantes objetivos científicos, de maneira a competir com os demais laboratórios já existentes ao redor do planeta. Assim, no intuito de auxiliar na solidificação desta ideia, esta tese tem o propósito de verificar o potencial de um detector de neutrinos no futuro laboratório de ANDES para a observação de neutrinos vindos da próxima Supernova Galáctica. A observação de tais partículas é de fundamental importância para a compreensão do mecanismo de explosão de estrelas e para inferir ou desvendar propriedades dos neutrinos. Para tal, simulamos o número de eventos para o decaimento Beta inverso e para o espalhamento elástico v - p que seriam obtidos com a próxima supernova com o detector de ANDES considerando diferentes tipos de cintiladores líquidos, levando em conta o efeito MSW. Mostramos que através do espalhamento elástico v - p é possível reconstruir o fluxo total de todos os sabores de neutrinos, energia média e total liberados por neutrinos não-eletrônicos. Além disso, a comparação da razão dos números de eventos que vem de corrente carregada (depende da oscilação) e de corrente neutra (independente de oscilação), nos permite inferir a hierarquia de massa para alguns casos. Adicionalmente, estudamos a contribuição do laboratório de ANDES para a observação do efeito de matéria da Terra ao compararmos dados com outros detectores do Hemisfério Norte. Finalmente, investigamos a precisão angular para determinar a direção de uma supernova apenas usando o registro de neutrinos, que pode ser o caso de Supernovas que formam buracos negros ou sofram efeito de obscurecimento devido a poeira interestelar. / [en] The unique opportunity of construction of the first underground laboratory in the Southern Hemisphere must be grounded with important scientific goals in order to compete with others already existing laboratories around the word. In order to compete with idea as much as possible, this PhD Thesis aims to investigate the potential of a future neutrino detector at the ANDES laboratory to the observation of such particles is of fundamental importance to understanding the mechanism and starbust inferred or unravel properties of neutrinos as mass hierarchy, for example. To this end, we simulate the number of events for inverse beta decay and the elastic scattering of v - p that would be obtained with nearby supernova at the ANDES detector taking into account different types of liquid scintillator ande the phenomenon of MSW effect. We show that through the v - p elastic scattering is possible to reconstruct the total flux of all flavors of neutrinos, total and average energy released by non-electron neutrinos. furthermore, comparison of the ratio of observed and theoretical prediction, the number of the ANDES laboratory to the Northern Hemisphere. Finally, we investigate the angular precision for determining the direction of the supernova only using its neutrinos, which can be the situation when either supernovae collapses forming black holes or obscuration due to interstellar dust.