L'expérience OPERA propose de mettre en évidence l'oscillation par apparition du dans un faisceau pur en . Ce faisceau est produit au CERN, puis dirigé sur le détecteur situé à 732 km plus loin. Le détecteur OPERA est composé de deux spectromètres à muons et d'une cible formée de murs de briques qui sont une alternance de feuilles de plomb et d'émulsions. Cette structure permet de reconstruire avec une haute résolution spatiale la topologie de désintégration en coude du tau. Le grand défi de l'expérience OPERA est de pouvoir mettre en évidence les interactions avec le moins d'incertitude possible à travers l'identification de tout événement de bruit de fond ne comportant pas un . C'est à ce niveau que mon travail apporte une contribution intéressante en offrant la possibilité de réduire d'avantage le bruit de fond. Ma contribution principale d'analyse concerne le développement de la sélection, de la reconstruction et l'identification des muons de basse énergie à l'aide des émulsions nucléaires. Ce travail repose sur la mise en corrélation de variables sensibles à la fois à la perte d'énergie et à la diffusion multiple. Auparavant, seule l'énergie perdue était utilisée dans les analyses de séparation . Mon étude a permis de doubler l'efficacité d'identification des muons de basse énergie ce qui va permettre d'accroître la puissance de rejet des événements de bruit de fond et de diminuer la contamination de 30%. J'ai également étudié le pouvoir des émulsions dans l'identification et la séparation des particules chargées à travers l'analyse d'un test réalisé par le groupe de Nagoya au Japon contenant des protons et des pions de différentes énergies. J'ai montré que le système de scan Européen donne des résultats comparables aux résultats obtenus par le système de scan Japonais.

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In this thesis we studied dark matter models with strong self-interactions, typically known as self-interacting dark matter (SIDM). This kind of models constitute a promising solution to the tension between small scale structure observations and predictions assuming the standard case of collisionless cold dark matter (CDM) while keeping the success of the standard cosmological model, LambdaCDM, at large scales. The presence of strong self-interactions can increase the dark matter capture and annihilation in astrophysical objects like our sun, enhancing the potential of indirect detection signals. We used the high energy neutrinos produced by such annihilations to probe SIDM models. We established strong constraints on SIDM with velocity independent cross section by comparing the expected neutrino signal with the results of the IceCube-79 dark matter search. Also, we determined the sensitivity for the IceCube-DeepCore and PINGU detectors for SIDM with a velocity dependent self-interacting cross section (vdSIDM). Most of its relevant parameter space can be tested with the three years of data already collected by IceCube-DeepCore, complementing results from direct detection experiments and other indirect detection studies. / Nesta tese investigamos modelos de matéria escura com auto-interações fortes, conhecidos tipicamente como matéria escura auto-interagente (SIDM). Este tipo de modelos constituem uma solução promissora à tensão entre as observações de estrutura a pequena escala e as previsões assumindo o caso padrão de matéria escura fria não colisional (CDM), enquanto se mantêm o sucesso do modelo cosmológico padrão, LambdaCDM, a grandes escalas. A presença de auto-interações fortes podem aumentar a captura e a aniquilação da matéria escura em objetos astrofísicos como o nosso sol, aumentando o potencial de sinais de detecção indireta. Usamos o sinal de neutrinos de alta energia produzidos por essas aniquilações para explorar modelos de SIDM. Estabelecemos fortes vínculos em modelos de SIDM com seção de auto-interação independente da velocidade comparando o sinal de neutrinos esperado com os resultados de busca de matéria escura do IceCube-79. Também, determinamos a sensibilidade dos detectores IceCube-DeepCore e PINGU para modelos de SIDM com uma seção de auto-interação dependente da velocidade (vdSIDM). A maior parte do espaço de parâmetros de interesse pode ser testado com os três anos de dados já coletados pelo IceCube-DeepCore, complementando os resultados de experimentos de detecção direta e outras an análises de detecção indireta.

Neste trabalho, faremos uma revisão bibliográfica com o objetivo de estudar e compreender algumas das informações que os neutrinos provenientes de Supernovas fornecem. Tais partículas são peças fundamentais para o entendimento do cenário catastrófico e turbulento presente neste fenômeno gigantesco de explosão. Para atingir tais objetivos, é fundamental estudar as características, os tipos e a dinâmica de explosão de Supernovas. Assim, com o conhecimento sobre oscilação de neutrinos, seremos capazes de identificar o papel que os neutrinos de Supernova desempenham na reconstrução dos seus respectivos fluxos. / In this work, we shall make a literature review in order to study and understand some of the information that neutrinos from supernovae provide. Such particles are fundamental to understand the catastrophic and turbulent scenario present in this gigantic explosion phenomenon. To achieve these goals, it is essential to study the characteristics, types and dynamics of exploding supernovas. Thus, along with the knowledge of neutrino oscillation, we will be able to identify the role that supernova neutrinos can play in the reconstruction of their fluxes.

Les progrès réalisés dans la maîtrise de la physique et de la détection des neutrinos ouvrent aujourd'hui la porte à la physique appliquée des antineutrinos. Dans cette optique, cette particule a en effet la particularité fondamentale de porter l'information de son lieu d'émission sans perturbation. Comme les neutrinos sont liés aux processus faibles tels que la désintégration nucléaire beta les applications se trouvent dans la surveillance des matières radioactives et des réacteurs nucléaires. Dans ce contexte, le projet Nucifer vise à construire et opérer un détecteur miniature d'antineutrinos de réacteur nucléaire, à installer au maximum à quelques dizaines de mètres d'un réacteur de puissance pour suivre sa puissance thermique et évaluer la quantité de plutonium produite. De plus, une réanalyse récente des mesures précédentes réalisées à proximité de réacteurs ces 40 dernières années montrent un écart significatif entre les taux de détection neutrinos attendus et mesurés. Parmi les hypothèses variées qui permettent d'expliquer cette anomalie se trouve une nouvelle oscillation entre neutrinos, impliquant nécessairement l'existence d'un quatrième neutrino, stérile. Pour mettre en évidence les antineutrinos et mesurer leur énergie, la détection beta inverse dans environ 850 kg de liquide scintillant dopé au gadolinium est utilisée. Toute la difficulté expérimentale provient des bruits de fond, qui peuvent être très importants lorsque le détecteur est installé ) proximité du réacteur ou de la surface. Le détecteur est maintenant intégré sur le réacteur nucléaire de recherche Osiris du CEA, situé à Saclay, et a commencé la prise de données en avril 2012. Malheureusement, une faible longueur d'atténuation du liquide et un niveau de bruit de fond gamma inattendu nous empêchent de distinguer les neutrinos. Nous attendons maintenant le remplacement du liquide et la construction d'un nouveau mur de plomb pour continuer l'étude du suivi du réacteur et pour tester l'hypothèse de neutrino stérile. / The major advances done in the understanding of neutrinos properties and in detector technology have opened the door to a new discipline: the Applied Antineutrino Physics. Indeed, this particle has the great advantage to carry information from its emission place without perturbation. Because neutrinos are inextricably linked to nuclear processes, new applications are in nuclear safeguards. In this context, the Nucifer project aims to test a small electron-antineutrino detector to be installed a few 10 meters from a reactor core for monitoring its thermal power and for testing the sensitivity to the plutonium content. Moreover, recent re-analysis of previous short-distance reactor-neutrino experiments shows a significant discrepancy between measured and expected neutrino count rates. Among the various hypotheses a new phenomenon as the existence of a fourth sterile neutrino can explain this anomaly. To be able to count neutrinos and get the corresponding energy spectrum, the detection is based on the inverse beta decay in about 850 kg of doped liquid scintillator. The experimental challenge is to operate such a small detector in a high background place, due to the closeness with the surface and the reactor radiations. The detector is now finished and data taking has begun at the Osiris research reactor in Saclay since april 2012. Sadly, unexpected low liquid attenuation length and high gamma background level prevented us to highlight neutrinos. We are now waiting for a liquid change and a new lead wall to study reactor monitoring and to test the sterile neutrino hypothesis.

Atualmente existem muitas evidências da presença de matéria escura no Universo. Estas motivaram a existência de vários experimentos para sua detecção. Entre os experimentos de detecção indireta de matéria escura, o PAMELA, o ATIC e o Fermi-LAT observaram recentemente excessos de elétrons e pósitrons no fluxo galáctico em relação ao esperado para estas partículas. Estes resultados podem ser explicados pela aniquilação de matéria escura com massas entorno a 1 TeV em nossa galáxia, com produção de léptons. No entanto, para tal, estas observações requerem um aumento na taxa de aniquilação relativa à esperada da produção térmica de matéria escura. Este aumento pode ser devido a existência de subestruturas de matéria escura no halo galáctico ou a mecanismos de interação, como o efeito Sommerfeld, que aumentam a seção de choque de aniquilação das partículas de matéria escura. Neste _ultimo caso, deve ocorrer também um aumento na taxa de neutrinos provenientes da aniquilação de matéria escura no núcleo da Terra. Neste trabalho, estimamos as taxas destes neutrinos e usamos os resultados finais do AMANDA-II e resultados recentes de IceCube para testar cenários genéricos que contemplam um aumento na seção de choque de aniquilação. Apresentamos os nossos resultados em função da seção de choque de interação da matéria escura com os núcleos multiplicada pela fração da aniquilação das partículas de matéria escura em neutrinos e, também em função de um fator genérico de boost que parametriza o aumento na seção de choque de aniquilação. Encontramos que modelos de matéria escura requerem fatores de boost da ordem O(100) ou mais e que se aniquilam significativamente em neutrinos são excluídos como explicação dos excessos leptônicos medidos. / Currently there are many evidences of the existence of dark matter in the Universe. These led to experimental dark matter searches and, among them, some indirect detection experiments, PAMELA, ATIC and Fermi-LAT, have recently observed excesses in the galactic flux of electrons and positrons relative to the expected flux of these particles. These results could be explained by dark matter, with masses of the order of 1 TeV, annihilating into leptons in our galaxy. However, in order for this to explain the mentioned excesses, it is required that the dark matter annihilation rate is greater than the implied rate assuming the expected dark matter thermal annihilation cross section. This greater rate could be due to the presence of dark matter substructures in the galactic halo or due to interaction mechanisms, such as the Sommerfeld effect, that enhance the dark matter annihilation cross section. In the latter case, an enhancement in the neutrino flux from annihilation of dark matter particles in the Earth nucleus should also occur. In this work, we use the final results of AMANDA-II and recent results of IceCube to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matternucleon interaction cross section weighted by the branching fraction into neutrinos, and as a function of a generic boost factor, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require boosts factors of O(100) or more and that annihilate mainly into neutrinos are excluded as a explanation for the observed leptonic excesses.

Das Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) ist ein Cherenkov Detektor, der sich im Gletscher der Antarktis am Südpol befindet. Wir präsentieren die Analyse von Daten, die in den Jahren 2000 bis 2004 gesammelt wurden, die einer effektiven Detektorlaufzeit von 1001 Tagen entsprechen. Die Suche zielt auf den Nachweis von elektomagnetische und hadronische Teilchenschauern, so gennante Kaskaden, die durch Elektron- und Tauneutrinowechselwirkung produziert werden können. Die hadronischen Kaskaden können auch über neutrale Ströme Wechselwirkung von Neutrinos aller Arten produziert werden. Der Kaskadenkanal hat einige Vorteile in der Suche nach einem diffusen Fluss von astrophysikalischen Neutrinos. Durch die gute Energieauflösung des AMANDA Detektors kann man zwischen einem harten astrophysikalische Spektrum und einem weichen atmosphärischen Spektrum unterscheiden. Außerdem ist der atmosphärischen Elektronneutrinos Fluss um eine Gößenordnung kleiner als der atmosphärische Myonneutrinofluss. Der Untergrund von atmosphärischem Myonen aus Luftschauern kann unterdrückt werden, weil diese als Spuren im Detektor erscheinen und leicht zu identifizieren sind. Mit der hohen Untergrundunterdrückung ist es möglich die Analyse über einen Raumwinkel von 4pi für Energien gegen 50 TeV zu erstrecken. Die Anzahl von gefundenen Ereignissen in dieser Analyse stimmt mit der Erwartung von Hintergrundereignissen überein. Deshalb berechnen wir eine obere Grenze für den diffusen Neutrinofluss aller Neutrinoarten, unter der Annahme, dass alle Neutrinoarten im Verhältnis 1:1:1 auftreten. Die obere Grenze für einen Nuetrinofluss im Energiebereich von 40 TeV bis 9 PeV mit einem Spektrum von E-2 ist 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 bei einem Konfidenzniveau von 90%. Dies ist momentan die niedrigste Grenze für einen diffusen Neutrinoflüss aller Neutrinoarten. / The Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) is a Cherenkov detector deployed in the Antarctic ice cap at the South Pole. We present the analysis of the AMANDA data collected during 1001 effective days of the detector lifetime be tween the years 2000 and 2004. We focus our search on electromagnetic and hadronic cascades which are produced in charged-current interactions of high-energy electron or tau neutrinos and in neutral-current interactions of neutrinos of any flavor. There are several advantages associated with the cascade channel in the search for a "diffuse" flux of astrophysical neutrinos. The AMANDA''s energy resolution allows us to distinguish between a hard astrophysical spectrum and a soft atmospheric spectrum. In addition, the flux of atmospheric electron neutrinos is lower than that of atmospheric muon neutrinos by one order of magnitude, and the background from downward-going atmospheric muons can be suppressed due to their track-like topology. The low background in this channel allows us to attain a 4pi acceptance above energies of about 50 TeV. The number of events observed in this analysis is consistent with the background expectations. Therefore, we calculate an upper limit on the diffuse all-flavor neutrino flux assuming a flavor ratio 1:1:1 at the detection site. A flux of neutrinos with a spectrum falling as E-2 is limited to 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 at 90% C.L. for a neutrino energy range spanning from 40 TeV to 9 PeV. This upper limit is currently the most sensitive limit on the diffuse all-flavor astrophysical neutrino flux.

L'observatoire Pierre Auger est une expérience de détection du rayonnement cosmique aux plus hautes énergies jamais mesurées. Ce dernier possède deux sous-ensembles de détection différents et complémentaires qui lui confèrent des capacités sans précédents pour l'étude du rayonnement cosmique. Le détecteur est également sensible aux neutrinos de ultra haute énergie, et ce bien qu'il n'ait pas été conçu dans ce but. Au cours de cette thèse, un programme de simulation a été développé afin d'étudier la propagation et l'interaction des neutrinos taus dans la croûte terrestre, travail nécessaire à l'étude du premier des deux canaux de détection possible, mettant en jeu des neutrinos de type tau traversant la terre sur une faible épaisseur, et venant interagir dans la roche à proximité du détecteur. En plus de fournir la probabilité de conversion neutrino-tau, nécessaire pour le calcul de l'acceptance du détecteur, celui-ci a également permis d'étudier en détail des processus liés à la propagation des particules dans la roche, permettant de mieux comprendre leur impact sur les résultats de l'analyse. La seconde partie du travail concerne les neutrinos interagissant directement dans l'atmosphère, à la manière des rayons cosmiques classiques. Pour ce deuxième canal de détection, un critère de sélection a été développé à partir de la comparaison de simulation de gerbes atmosphériques, induites par des neutrinos de ultra haute énergie, avec les données brutes du détecteur. L'étude des neutrinos à l'observatoire Pierre Auger a permis d'obtenir deux limites sur le flux diffus de neutrinos de ultra haute énergie, parmi les plus contraignantes à des énergies de l'ordre de l'EeV.

Cette thèse est divisée en deux parties. La première est consacrée à l'étude des angles de mélange des fermions en Théorie Quantique des Champs (TQC). Nous montrons que, du fait de la non-orthonormalité de ses états propres de masse, la matrice de mélange d'un système non-dégénéré de fermions couplés ne peut pas être considérée comme unitaire ; puis, dans le cadre du Modèle Standard, que les angles de mélange des quarks et des leptons se révèlent compatibles avec une structure précise des courants neutres, où universalité et absence des courants changeant la saveur sont violées avec la même amplitude. Puis nous retrouvons de manière perturbative la non-unitarité de la matrice de mélange par l'annulation des transitions non-diagonales à une boucle entre états propres de masse. Nous étudions enfin les transformations de saveur pertinentes dans cette démarche, et esquissons un lien entre les courants neutres et la matrice de masse considérée habituellement pour des systèmes couplés. La deuxième partie présente les premiers résultats d'une étude générale des contraintes apportées en TQC par les symétries discrètes (parité P, conjugaison de charge C et renversement du temps T) sur le Lagrangien et le propagateur fermioniques. Nous montrons, dans le cas d'une génération, que ces derniers, écrits de la manière la plus générale compatible avec l'invariance de Lorentz, sont naturellement invariants sous le produit PCT, puis que les états propres d'un propagateur invariant sous C sont des fermions de Majorana.