Neutrino oscillations est trés bien étudié le phénoméne et des observations de Solar, trés-long-base de référence du réacteur, l'atmosphére et d'accélérateur à l'oscillation des neutrinos expériences trés robuste donner la preuve de trois mélange des neutrinos. D'autre part, certaines données expérimentales ont montré des anomalies qui pourraient être interprétées comme indication de la physique des neutrinos exotique au-delà de trois mélange des neutrinos. En outre, à partir d'un point de vue cosmologiques, la possibilité déspéces extra léger comme une contribution subdominant chaud de l'Univers est toujours intéressant. Dans la premiére partie de cette thése, nous nous sommes concentrs sur l'anomalie observée dans le Gallium source radioactive expériences. Ces expériences ont été réalisées pour tester la Gallium détecteurs de neutrinos solaires GALLEX et SAGE, en mesurant le flux de neutrinos d'électrons produit par une intense des sources radioactives artificielles placées à l'intérieur de détecteurs. Le mesurée certain nombre d'événements a été inférieur à celui attendu. Nous avons interprété cette anomalie comme une indication possible de la disparition de neutrinos et d'électrons, dans le cadre efficace de deux de mélange des neutrinos, nous avons obtenu sin2 2Theta > 0.03 et Deltam2 > 0.1 eV2. Nous avons également étudié la compatibilité de ce rsultat avec les donnes de le réacteur Bugey et de Chooz antineutrino disparition expériences. Nous avons constaté que les données Bugey présente un indice d'oscillations de neutrinos 'a 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.95 eV2, qui est compatible avec le permis de Gallium de la region paramtres de mixage. Puis, en combinant les données de Bugey et de Chooz, les données de Gallium et de Bugey, et les données de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que ce soup¸con persiste, avec une certaine compatibilité des données expérimentales. En outre, nous avons analysé les données expérimentales de l'ILL, SRS, Gösgen et expériences réacteur nucléaire. Nous avons obtenu un bon ajustement de la I.L.L. données, en montrant 1 et 2Sigma permis régions de l'espace des paramétres d'oscillation. Toutefois, la combinaison de I.L.L. données avec le Bugey les données ont révélé un trés faible compatibilité, si nous n'avons pas utilisé l'ILL données pour les analyzes supplémentaires. Notre ajustement de la S.R.S. expérience a donn de trés petites valeurs de la qualité d'ajustement (goodness-of-fit), ce qui indique que les données sont incompatibles avec l'hypothése d'oscillations, ainsi que les oscillations aucune hypothése. Nous n'avons pas d'explication à ce résultat. De l'analyze de la Gösgen expérience, nous avons obtenu des limites supérieures pour les paramétres de mélange, à l'exclusion de la region avec sin2 2Theta ≥ 0.3 et Deltam ≥ 0.05 eV2 à 3Sigma C.L.. Grâce â la combinaison de ces données avec celles de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que l'indice des oscillations de neutrinos persiste â 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.93 eV2, avec une bonne compatibilité des données. Toutefois, les oscillations aucune hypothése ne peut être exclue. Motivé par ces résultats, dans la deuxiéme partie de ce travail nous avons étudié contraintes cosmologiques sur une lumiére non-thermique neutrino stérile. Nous aménagées--la date des données cosmologiques avec une longue LCDM, y compris en lumiére les vestiges d'une masse dans la gamme 0.1-10 eV. Nous avons obtenu des contraintes sur la densité de courant et de la vitesse de dispersion de ces reliques, ainsi que des contraintes sur leur masse, à supposer qu'elles consistent soit découplé de la petite thermique des reliques, ou de non-resonantly produit stérile neutrinos. Nos résultats sont utiles pour peser sur des particules-motivés avec trois modéles de neutrinos actifs et un trés léger espéces.

Big Bang Nucleosynthesis (BBN), together with the analyses of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies, confirm what our day to day experience of life attests :antimatter is far less present than matter in the Universe. In addition, these observables also permit to evaluate that there exists about one proton for every 10^{10} photons present in the Universe. This is in contradiction with expectations coming from the standard hot big bang, where no distinction between matter and antimatter is made, and where subsequent annihilations would lead to equal matter and antimatter contents, at a level 10^{−10} smaller than the observed one. The Standard Model of fundamental interactions fails to explain this result, leading us to search for ‘Beyond the Standard Model’ physics.<p><p>Among the possible mechanism which could be responsible for the creation of such a matter asymmetry, leptogenesis is particularly attractive because it only relies on the same ingredients previously introduced to generate neutrino masses. Unfortunatelly, this elegant proposal suffers from a major difficulty :it resists to any tentative of being probed by our low energy observables. In this thesis, we tackle the problem the other way around and propose a way to falsify this mechanism. Considering the type-I leptogenesis mechanism, i.e. a mechanism based on the asymmetric decay of right-handed neutrinos, in a left-right symmetric framework, we show that the observation of a right-handed gauge boson W_R at future colliders would rule out any possibility for such mechanism to be responsible of the matter asymmetry present in our Universe.<p><p>Another intriguing question that analyses of the anisotropies of the CMB confirmed is the presence of a non-baryonic component of matter in our Universe, i.e. the dark matter. As hinted by observations of galactic rotation curves, it should copiously be present in our galactic halo, but is notoriously difficult to detect directly. We can take advantage on the fact that antimatter almost disappeared from our surroundings to detect the contamination of cosmic rays from standard sources the annihilation products of dark matter would produce.<p><p>The second subject tackled in this work is the study of the imprints the Inert Doublet Modem (IDM) could leave in (charged) cosmic rays, namely positrons, antprotons and antideuterons. This model, first proposed to allow the Bout-Englert-Higgs particle to evade the Electroweak Precision Test (EWPT) measurements, introduces an additional scalar doublet which is inert in the sense that it does not couple directly to fermions. This latter property brings an additional virtue to this additional doublet :since it interacts weakly with particles, it can play the role of dark matter. This study will be done in the light of the data recently released by the PAMELA, ATIC and Fermi-GLAST collaborations, which reported e^± excesses in two different energy ranges. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[pt] Atualmente podemos determinar com grande precisão os parâmetros das massas e misturas dos neutrinos. Porém, mesmo que no futuro as incertezas sobres as medidas destes parâmetros sejam reduzidas considerablemente, talvez algumas questões ainda continuem em aberto, como por exemplo, o valor absoluto da massa dos neutrinos, a hierarquia de massa e também determinar se os neutrinos são de Majorana ou Dirac, e se forem de Majorana, então quais seriam os valores das fases de CP? Nesta tese, nós abordamos parte destas questões estudando a detetabilidade da fase CP de Majorana através das medidas de massa dos neutrinos, que são extraídas de experimentos de decaimento beta, duplo decaimento beta sem neutrinos e observações cosmológicas. Para quantificar a sensibilidade dos experimentos à fase de Majorana, além de usar os gráficos convencionais das regiões permitidas, usamos a função de exclusão, definida como uma fração no espaço de parâmentros CP, que é excluída quando um conjunto de parâmetros de entrada é fornecido. A sensibilidade dos experimentos é considerada quando variamos as incertezas desde o valor mais pessimista até o valor mais optimista e também incluímos o erro experimental devido à matriz de elementos nucleares. Com esta análise, encontramos que a fase de Majorana, denotada como a21, pode ser restringida ao ser excluído o espaço de parâmentros entre um 10 por cento e até 50 por cento, com um nível de confiança de 3o, isto se consideramos que a massa do neutino mais leve é 0.1eV. Também são tratados aspectos característicos da sensibilidade à fase a21, como por exemplo, a dependência à outra fase de Majorana a31. Para finalizar, nós estudamos o caso de se na atualidade, a incerteza do elemento de matriz nuclear pode ser limitado usando as medidas dos mesmos experimentos. / [en] Nowdays we are in a precision epoch where is possible to get accurately the parameters that involve the neutrino physics, however, even that in the future the uncertainties on those parameters will decrease enormously, perhaps still will continue some open question, for instance, what is the absolute mass of neutrinos? What is the hierarchy of the masses? Are the neutrinos Majorana or Dirac? And if they were Majorana, what would be the value of the CP phases? In this work, we studying the detectability of the CP phase through experiments of neutrino beta decay, neutrinoless double beta decay and cosmology. In order to quantify the sensitivity to the Majorana phase we use the CP exlusion fraction, it is a fraction of region of the CP phase, that is excluded for a given set of assumed input parameters. The experiments sensitivity is account when it is varied since the pessimistic to optimistic one, assumptions of the experimental erros, the uncertainty of nuclear matrix elements and all the scenarios are considering with the Normal and Inverted hierarchies. We find that a Majorana phase, the called a21 can be constrained strongly by excluded 10 − 50 per cent of phase space at 3o CL for the lowest neutrino mass of 0.1 eV. The characteristic features of the sensitivity to a21, such as dependences on the other phase a31 are addressed. We also arise the question of whether the uncertainties of nuclear matrix elements could be constrined be consistancy of such measurements.

[ES] Los neutrinos que viajan por el Universo sin apenas alterar su trayectoria. Esto quiere decir que, de ser detectados recorriendo su camino, se puede saber de donde provienen. Sin embargo, a pesar de ser la partícula más abundante del espacio descubierta hasta ahora, al no poseer carga eléctrica, presenta una baja probabilidad de interacción, necesaria para evidenciar su presencia. Con todo lo anterior, dadas las posibilidades de evidenciar la presencia de un neutrino, se necesita tener enormes volúmenes controlados por sensores capaces de detectarlos. En el caso de que los neutrinos interactúen en un fluido como el agua o el hielo, se pueden proporcionar partículas cargadas como el muon, que viajan a mayor velocidad que la luz, produciendo una radiación llamada luz de Cherenkov. Es esta luz la que los detectores de neutrinos submarinos pretenden detectar, por ello se instalan sensores ópticos en forma de matriz tridimensional. KM3NeT es un detector de neutrinos perteneciente a la nueva generación de este tipo de telescopios submarinos y diseñado para albergar un kilómetro cúbico. Actualmente, se encuentra en fase de construcción en las profundidades del Mar Mediterráneo. Se compone de dos nodos detectores: ARCA que se sitúa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profundidad, y ORCA a 40 km de la costa de Toulon sumergido a 2400 m. Las Unidades de Detección (DU) usadas se componen de una base que las ancla al lecho marino, 18 Módulos Ópticos Digitales (DOM) sujetos a lo largo de un par de cables que unen la base con una boya. Así, se tiene una DU fija en el fondo del mar, erguida en posición vertical (dada la flotabilidad de sus elementos), pero susceptible a las corrientes marinas. Así que, para ser capaces de reconstruir la trayectoria de un muon detectado, es necesario tener clara la posición y orientación de cada DOM. Por ello, KM3NeT cuenta con un Sistema de Posicionamiento Acústico (APS) y un Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS). Por un lado, el APS tiene receptores acústicos instalados en cada DOM (sensores piezoeléctricos) y en la base de cada DU (hidrófonos). Además, instala Balizas Acústicas (AB) en posiciones conocidas que emiten señales particulares, que se usan para que el Filtro de Datos Acústico registre su detección en cada receptor. Con el registro de tres o más emisiones pertenecientes a diferentes AB, se puede estimar la posición de cada sensor piezoeléctrico. Por otro lado, el AHRS indica el valor de la guiñada, cabeceo y balanceo, facilitando la orientación del DOM. Con una combinación de APS y AHRS (o de forma independiente), y haciendo uso de un Modelo Mecánico se puede reconstruir la forma de la DU. Así, se conoce la situación de cada DOM con una mayor exactitud. Los AB se caracterizan en laboratorio gracias a un proceso que se ha estandarizado, tanto en realización de medidas como en su posterior análisis. Además, se presenta una posible ubicación para instalarlos, asegurando una buena recepción en todos los DOM. Por último, se pretende aprovechar los receptores del APS en KM3NeT para la posible detección acústica de neutrinos. Existen teorías de que al producirse la interacción de un neutrino ultra-energético se propaga una peculiar señal termo-acústica en forma de Pulso Bipolar (BP), de directividad estrecha para las frecuencias que abarca. Es por esto que se ha diseñado una calibración completa del detector capaz de determinar si el APS está preparado para la posible captura de este tipo de señales. Por ello, se diseña, desarrolla y prueba un algoritmo capaz de seleccionar posibles candidatos de BP. Este algoritmo usa la técnica del espectrograma para analizar la energía, la frecuencia y la duración de cada pulso. Por ahora se han analizado 2.9 días de datos usando tres hidrófonos en ORCA y se han obtenido resultados prometedores para seguir esta línea de investigación, proponiéndose un sistema de alerta para registrar estos eventos de interés. / [CA] Els neutrins són unes partícules subatòmiques que viatgen per l'Univers sense alterar la seva trajectòria. Això significa que, de ser detectats recorrent el seu camí, es pot estudiar la posició del seu origen. Malgrat ser la partícula més abundant de l'espai fins ara descoberta, com no posseeix càrrega elèctrica i sols interacciona dèbilment, presenta molt baixa probabilitat d'interacció, necessària per a evidenciar la seva presència. Llavors, per evidenciar la presència d'un neutrí, es necessita tenir enormes volums controlats per sensors capaços de detectar-los. En el cas d'interactuar en un fluid com l'aigua o el gel, es pot proporcionar un muó (o altres partícules carregades) que viatja a major velocitat que la llum, produint una radiació anomenada llum de Cherenkov. És aquesta llum la que els detectors de neutrins submarins pretenen detectar, per això instal·len sensors òptics en forma de matriu tridimensional. KM3NeT és un detector de neutrins que pertany a la nova generació d'aquest tipus de telescopis submarins i que està dissenyat per a albergar un quilòmetre cúbic. Actualment, es troba en fase de construcció, en les profunditats de la Mar Mediterrània. Es compon de dos nodes detectors: ARCA que es situa a 100 km de la costa de Portopalo di Capo Passero a 3400 m de profunditat, i ORCA a 40 km de la costa de Toulon submergit a 2400 m. Les Unitats de Detecció (DU) utilitzades es componen d'una base que les ancora al fons marí, 18 Mòduls Òptics Digitals (DOM) subjectes al llarg d'un parell de cables que uneixen la base amb una boia. Així, es té una DU fixa en el fons de la mar, alçada en posició vertical (donada la flotabilitat dels seus elements), però susceptible als corrents marins. Així que, per a ser capaços de reconstruir la trajectòria d'un muó detectat, és necessari tenir clara la posició i orientació de cada DOM. Per això, KM3NeT compta amb un Sistema de Posicionament Acústic (APS) i un Sistema de Referència d'Actitud i Rumb (AHRS). D'una banda, l'APS té receptors acústics instal·lats en cada DOM (sensors piezoelèctrics) i en la base de cada DU (hidròfons). A part, instal·la Balises Acústiques (AB) en posicions conegudes que emeten senyals particulars, que s'utilitzen perquè el Filtre de Dades Acústic registra la seva detecció en cada receptor. Amb el registre de tres o més emissions pertanyents a diferents AB, es pot estimar la posició de cada sensor piezoelèctric. D'altra banda, el AHRS indica el valor de l'ullet, cabotejo i balanceig, facilitant l'orientació del DOM. Amb una combinació de APS i AHRS (o de manera independent), i fent ús d'un Model Mecànic es pot reconstruir la forma de la DU. Així es coneix la situació de cada DOM amb una major exactitud. Pel que fa als ABs, cadascun es caracteritza en el laboratori gràcies a un procés que s'ha estandarditzat, tant en realització de mesures com en la seva posterior anàlisi. A més, es presenta una possible ubicació per a instal·lar-los, assegurant una bona recepció en tots els DOM. Finalment, es pretén aprofitar els receptors del APS en KM3NeT per a la possible detecció acústica de neutrins. Existeixen teories que expliquen que en la interacció d'un neutrí ultraenergètic es propaga un peculiar senyal termo-acústica en forma de Pols Bipolar (BP), de directivitat estreta per a les freqüències que té. Així que s'ha dissenyat un calibratge complet del detector capaç de determinar si el APS està preparat per a la possible captura d'aquesta mena de senyals. Per això, es dissenya, desenvolupa i prova un algoritme capaç de seleccionar possibles candidats de BP. Aquest algoritme usa la tècnica de l'espectrograma per analitzar l'energia, la freqüència i la durada de cada pols. Ara com ara s'han analitzat 2.9 dies de dades usant tres hidròfons en ORCA i s'han obtingut resultats prometedors per a seguir aquesta línia de recerca, proposant un sistema d'alerta per a registrar events d'interès. / [EN] Neutrinos are subatomic particles that travel through the Universe with tiny or no change in their trajectory. This means that, if they are detected traveling along their way, the position of their origin can be studied. Despite being the most abundant particle in space so far discovered, as it has no electrical charge and it only interacts, it has a very low probability of interaction, which is necessary to prove its presence. Given the possibilities of evidencing the presence of a neutrino, it is necessary to have huge volumes controlled by sensors capable of detecting them. In the case of interaction in a fluid such as water or ice with sufficient energy, a muon (or other charged particles), which travels faster than the speed of light, may be generated producing radiation called Cherenkov light. This is the light that underwater neutrino telescopes aim to detect, so they have installed optical sensors in the form of a three-dimensional array. KM3NeT is a neutrino detector belonging to the new generation of underwater telescopes designed to hold one cubic kilometer. It is currently under construction in the depths of the Mediterranean Sea. It consists of two detector nodes: ARCA, which is located 100 km off the coast of Portopalo di Capo Passero at a depth of 3400 m, and ORCA, 40 km off the coast of Toulon, submerged at a depth of 2400 m. The Detection Units (DUs) used are composed of a base that anchors them to the sea floor, 18 Digital Optical Modules (DOMs) attached along a pair of cables linking the base to a top buoy. Thus, it has a fixed DU on the seabed, standing in a vertical position (given the buoyancy of its elements), but susceptible to the sea currents. In order to be able to reconstruct the trajectory of a detected muon, it is necessary to know the position and orientation of each DOM. Therefore, KM3NeT has an Acoustic Positioning System (APS) and an Attitude and Heading Reference System (AHRS). On the one hand, the APS has acoustic receivers installed in each DOM (piezoceramic sensors) and at the base of each DU (hydrophones). On the other hand, there are Acoustic Beacons (ABs) at known positions that emit specific signals, which are used for the Acoustic Data Filter to register their detection at each receiver. By recording three or more emissions belonging to different ABs, the position of each piezoceramic sensor can be estimated. On the other hand, the AHRS indicates the value of yaw, pitch, and roll, suggesting the orientation of the DOM. With a combination of APS and AHRS (or independently), and making use of a Mechanical Model, the shape of the DU can be reconstructed. In this way, the situation of each DOM is known with higher accuracy. As far as the ABs are concerned, each one has been characterized in the laboratory thanks to a process that has been standardized, both in terms of measurements and subsequent analysis. In addition, a possible location for the installation of ABs is presented, ensuring good reception in all DOMs. Finally, it is intended to use the APS receivers in KM3NeT for the possible acoustic detection of neutrinos. There are theories that explain that when the interaction of an Ultra-High-Energy neutrino is produced, a peculiar thermoacoustic signal as a Bipolar Pulse (BP), with a narrow angle directivity is propagated. Thus, a complete calibration of the detector has been designed to determine whether the APS is ready for the possible capture of this type of signal. Moreover, an algorithm capable of selecting possible BP candidates is designed, developed, and tested. So far, 2.9 days of data have been analyzed using three hydrophones in ORCA and promising results have been obtained to pursue this line of research, proposing an alert system (trigger) to register the candidate events / Diego Tortosa, D. (2022). Positioning System and Acoustic Studies for the KM3NeT deep-sea neutrino telescope [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188917

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'étude de la double désintégration bêta sans neutrinos joue un rôle important dans plusieurs questions en physique des particules et cosmologie. Ce processus nucléaire hypothétique viole la conservation du nombre leptonique par deux unités et jusqu'à présent il est le seule moyen pratique pour dévoiler la nature du neutrino : sa détection implique forcement que neutrino et antineutrino sont la même particule. En outre, le taux de décroissance est sensible à la masse efficace de Majorana du neutrino, du coup à l'échelle absolue des valeurs propres de la masse et leur hiérarchie. La marque expérimentale de la DDB0ν est un pic monochromatique dans le spectre énergétique de la somme des deux électrons émis. Le but des expériences de prochaine génération est une sensibilité sur la masse efficace du neutrino de l'ordre de dizaines de meV, c'est-à-dire demi-vies de l'ordre de 10²⁷-10²⁸ années : en pratique, il s'agit de construire des sources de quelques centaines de kg d'isotope candidat, au moins, et les sonder par des détecteurs très efficients, tout en gardant le bruit de fond dans la région énergétique d'intérêt au niveau d'un coup/tonne/an. Les bolomètres luminescents sont une technique prometteuse vu leur excellentes résolutions énergétiques, haute efficacité de détection, ample choix pour les matériaux et extensibilité modulaire à grande échelle; de plus, grâce à la détection simultanée de chaleur et lumière produites par l'interaction des particules, il est possible de discriminer les contaminations α, dangereuse source de bruit aux énergies d'intérêt pour plusieurs noyaux candidats à la DDB0ν. Cette thèse a été effectuée dans le contexte de l'expérience LUMINEU : une expérience pilote qui a pour but la construction d'une expérience de prochaine génération basée sur les bolomètres scintillants en molybdate de zinc, pour l'étude de l'isotope candidat ¹⁰⁰Mo. En vue de la construction d'une expérience à grande échelle, il est nécessaire d'effectuer des caractérisations systématiques pour s'assurer des performances et de la reproductibilité des détecteurs et leurs composantes. La disponibilité d'installations expérimentales en surface, facilement accessibles, est souhaitable pour des tests routiniers : j'ai mené la plupart des expériences au CSNSM, où j'ai aussi travaillé à l'installation d'un nouvel cryostat à dilution basé sur la technologie du Pulse-Tube. Une partie de ma thèse a concerné l'étude de détecteurs bolométriques de lumière aux absorbeurs en germanium et thermomètres NTD (thermistors Neutron Transmutation Doped) : une structure standard pour LUMINEU a été établie et on a mesuré les performances des bolomètres telles que sensibilité, résolution énergétique, bruit de base et reproductibilité. Les résultats sont satisfaisants en vue d'un emploi dans une expérience avec bolomètres scintillants, bien que la configuration soit très sensible à la microphonie. En outre, j'ai testé avec succès des détecteurs bolométriques de lumière exploitants l'effet Neganov-Luke, qui augmente le rapport signal-bruit au niveau compatible avec la détection de la lumière Cherenkov pour la discrimination des événements. Une autre partie a vu la caractérisation des bolomètres scintillants en molybdate de zinc avec masse allant jusqu'à environ 300 g : couplés aux capteurs de lumière susmentionnés et lus par thermistors NTD, ils ont été refroidis en surface au CSNSM et en endroit souterrain à Modane, dans l'installation de l'expérience EDELWEISS pour la Matière Noire. Grâce à la détection simultanée de lumière et chaleur, les interactions des particules β/γ sont séparées des contaminations α. Les résultats démontrent que la caractérisation de bolomètres massifs, presque la taille cible des détecteurs finaux, est possible même en surface, en dépit du rayonnement cosmique. En outre, ces tests ont permis d'optimiser la compatibilité de l'installation de Modane avec les exigences des bolomètres scintillants pour la recherche de la DDB0ν. / Neutrinoless Double Beta Decay (0νDBD) is regarded as an important key in the decryption of some hot astroparticle and cosmological enigmas: it violates lepton number by two units and it is currently the only known practical way to shed light on the neutrino nature, being possible only in case of a Majorana neutrino, identical to its antiparticle. Moreover, the 0νDBD rate is sensitive to the effective neutrino mass, so it would be useful to define the absolute neutrino mass scale and hierarchy. The experimental footprint of 0νDBD is a monochromatic peak in the sum energy spectrum of the two emitted electrons. Next-generation experiments aim at reaching a sensitivity on the effective neutrino mass of the order of ten meV, corresponding to half lives in the range 10²⁷-10²⁸ years: this means to be able to gather, at least, a few hundred kilograms of 0νDBD candidate isotope source and to efficiently scrutinize it with very sensitive detectors. Meanwhile, background levels in the energy region of interest of the 0νDBD signal should be lowered to less than one count/ton/y. Cryogenic luminescent bolometers are a promising technique for 0νDBD search, as they feature excellent energy resolutions, high detection efficiency, flexibility in the material choice and easy scalability to large modular experiments; furthermore, the simultaneous read-out of heat and light signals produced by particle interactions provides an active discrimination method against the dangerous α contaminations, populating the 0νDBD energy region of several interesting candidate isotopes. The work presented in this dissertation was carried out in the context of the LUMINEU project: a pilot experiment focused on zinc molybdate scintillating bolometers, to define the strategies for the construction of a next-generation experiment based on the 0νDBD candidate ¹⁰⁰Mo. In view of the construction of a large 0νDBD experiment, involving hundreds of modules, systematic cryogenic measurements have to be performed to ensure good performance and reproducibility of the detectors and their components. Aboveground facilities are preferred for routinary tests because of their easier accessibility: most of the tests were carried out at CSNSM, where I also worked on the setup of a new cryogenic apparatus, based on the Pulse-Tube technology. One part of my thesis work saw the study of bolometric light detectors based on germanium absorbers and Neutron Transmutation Doped (NTD) thermometers: a proper design was developed in view of LUMINEU and the devices were characterized in terms of sensitivity, energy resolution, baseline noise and reproducibility. The results are compatible with a 0νDBD search final experiment, though this detector configuration is very sensitive to vibrational noise. In addition, the feasibility of bolometric light detectors based on NTD thermometers and Neganov-Luke amplification was investigated, demonstrating that this technique can actually boost the signal-to-noise gain to a level compatible with event discrimination based on Cherenkov light detection. Another part of my work dealt with the test of scintillating zinc molybdate bolometers of mass up to ~300 g, coupled to the aforementioned light detectors and operated both in the aboveground facilities at CSNSM and underground at Modane, in the cryostat of the EDELWEISS Dark Matter search experiment. Good event discrimination capability was achieved: thanks to double read-out of heat and light, it is possible to identify α particles, the threatening background for 0νDBD interests, against β/γ interactions. The results proved the possibility to pre-characterize aboveground detectors of mass close to the one of a final experiment module, despite the high cosmic rays rates. Besides, the measurements opened the way to the mutual compatibility of the underground setup, conceived for another kind of experiment, and LUMINEU 0νDBD search detectors.

One of the primary targets of current and especially future cosmological observations are light thermal relics of the hot big bang. Within the Standard Model of particle physics, an important thermal relic are cosmic neutrinos, while many interesting extensions of the Standard Model predict new light particles which are even more weakly coupled to ordinary matter and therefore hard to detect in terrestrial experiments. On the other hand, these elusive particles may be produced efficiently in the early universe and their gravitational influence could be detectable in cosmological observables. In this thesis, we describe how measurements of the cosmic microwave background (CMB) and the large-scale structure (LSS) of the universe can shed new light on the properties of neutrinos and on the possible existence of other light relics. These cosmological observations are remarkably sensitive to the amount of radiation in the early universe, partly because free-streaming species such as neutrinos imprint a small phase shift in the baryon acoustic oscillations (BAO) which we study in detail in the CMB and LSS power spectra. Building on this analytic understanding, we provide further evidence for the cosmic neutrino background by independently confirming its free-streaming nature in different, currently available datasets. In particular, we propose and establish a new analysis of the BAO spectrum beyond its use as a standard ruler, resulting in the first measurement of this imprint of neutrinos in the clustering of galaxies. Future cosmological surveys, such as the next generation of CMB experiments (CMB-S4), have the potential to measure the energy density of relativistic species at the sub-percent level and will therefore be capable of probing physics beyond the Standard Model. We demonstrate how this improvement in sensitivity can indeed be achieved and present an observational target which would allow the detection of any extra light particle that has ever been in thermal equilibrium. Interestingly, even the absence of a detection would result in new insights by providing constraints on the couplings to the Standard Model. As an example, we show that existing bounds on additional scalar particles, such as axions, may be surpassed by orders of magnitude.

NOMAD est une expérience de recherche des oscillations de neutrinos nu_mu -> nu_tau et nu_mu -> nu_e, placée dans le faisceau de nu_mu du SPS du CERN. L'intérêt de cette<br />recherche est lié aux problêmes des masses des neutrinos et des mélanges de<br />saveurs.<br />Cette thèse décrit une recherche des oscillations nu_mu -> nu_e fondée sur l'ensemble<br />des données de NOMAD accumulées durant les quatre années (1995-1998) de<br />son fonctionnement. La recherche de l'apparition des nu_e est faite en utilisant les<br />interactions courant chargée (CC) dans le détecteur NOMAD. La sélection des<br />interactions nu_e CC et nu_mu CC à l'aide de différents algorithmes d'identification<br />des particules dans les sous-détecteurs de NOMAD ainsi qu'à l'aide de critère<br />cinématique d'événement est étudiée ici en détail.<br />Nous montrons que NOMAD est sensible à la région des paramètres des oscillations nu_mu -> nu_e favorisée par l'expérience LSND pour les différences de masses<br />au carrée supérieures à 10 eV2/c4.<br />L'analyse étant faite "en aveugle" et l'étude des systématiques liées au faisceau se poursuivant dans la collaboration, seule une fraction des données de<br />NOMAD, l'échantillon de contrôle, a pu être utilisé pour déduire la limite supérieure de la probabilit d'oscillation nu_mu -> nu_e.

Le champ magnétique est un ingrédient physique parmi les plus communs dans les environnements astrophysiques. Bien qu'il ait été étudié depuis de nombreuses décennies, certains de ses domaines d'application sont encore mystérieux, en particulier celui qui est associé à la turbulence magnétique. Ce phénomène apparaît dans des problèmes encore non résolus à ce jour. Le sujet de cette thèse porte sur l'étude de cette turbulence dans les disques d'accrétion magnétisés et képlériens lançant des jets, ainsi que sur ses effets sur le transport des rayons cosmiques. La première partie de cette thèse montre que les disques d'accrétion magnétisés képlériens soumis à une turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peuvent être le siège d'une production stationnaire de jets MHD de matière sous certaines conditions. L'ajout des effets dus à la viscosité du plasma ainsi que l'implémentation d'une équation d'énergie modélisant une couronne chauffante sont les points clés de cette première partie. J'ai en particulier montré à la fois analytiquement et numériquement que le rapport entre couple de freinage magnétique et visqueux était contraint par les propriétés de la turbulence MHD. J'ai aussi montré que la prise en compte plus fine de l'équation d'énergie était nécessaire pour une description plus fidèle des jets observés dans l'Univers. Cette équation fait intervenir nombres de processus de chauffages et de transport d'énergie dont la prise en compte dans l'approximation fluide n'est pas possible. J'insiste, dans cette première partie, sur la necessité d'une approche cinétique de ces phénomènes afin de pouvoir mieux les décrire macroscopiquement. C'est cette étude qui a motivé la suite de ma thèse. Afin de mieux connaître les influences de la turbulence magnétique sur le transport de particules chargées, j'ai entrepris une étude sur la diffusion spatiale et angulaire des hadrons avec un champ magnétique chaotique dont la distribution spectrale en loi de puissance peut être reliée à celle qu'engendrerait une turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir des réponses nouvelles sur des régimes de diffusion dans des domaines de turbulence encore jamais étudiés. En particulier, j'ai montré que les coefficients de diffusion spatiale parallèle au champ magnétique à grande échelle ainsi que le coefficient de diffusion angulaire suivaient un comportement dans le domaine de résonance extrapolant celui prédit par la théorie quasi-linéaire dans le cas de la très faible turbulence. A l'opposé, le coefficient de diffusion perpendiculaire suit un comportement, dans ce même domaine, non prédit par la théorie quasi-linéaire. Ce régime est assimilable à un régime de diffusion anormale amplifiée par la présence de chaos magnétique. De plus, en dehors du domaine de résonance avec le chaos, les comportements de tous ces coefficents sont différents de ceux attendus. Enfin, l'existence d'un régime de diffusion de Bohm n'a pas été démontrée quelque soit le niveau de chaos magnetique

Les théories de grande unification (GUT) impliquent des transitions de phase dans l'Univers primordial, qui pourraient donner naissance à des défauts topologiques, parmi lesquels on trouve des monopôles magnétiques. Les principales caractéristiques de ces monopôles sont présentées, notamment leurs pertes d'énergie dans la matière et les limites sur leur flux. Les télescopes à neutrinos de haute énergie offrent une nouvelle opportunité pour leur recherche. L'étude du traitement des impulsions des photomultiplicateurs par l'électronique de lecture du détecteur Antares indique que celle-ci est bien adaptée aux besoins du télescope. L'analyse détaillée des impulsions permet d'obtenir une précision finale sur la mesure temporelle inférieure à 0.6 ns et le bruit électronique et la saturation ont peu d'effet sur les performances du télescope. Les monopôles relativistes émettent une grande quantité de lumière qui conduit à une surface effective de détection pour le télescope Antares allant de 0.06 km2 pour des vitesses beta_mon = 0.6, à 0.35 km2 pour des vitesses beta_mon ~ 1. La trace des monopôles est bien reconstruite et la détermination de leur vitesse est faite avec une erreur inférieure à quelques pourcents, ce qui constitue un élément déterminant pour le rejet du bruit de fond causé par les muons de haute énergie, de vitesse beta_mu ~ 1. L'émission lumineuse très dispersée des monopôles en dessous de la limite Tcherenkov, 0.6 < beta_mon < 0.74, via les delta-électrons d'ionisation, ne permet pas une caractérisation précise du signal attendu et le rejet des muons mal reconstruits doit être amélioré. Au delà de la limite Tcherenkov, beta_mon > 0.8, les muons mal reconstruits peuvent être rejetés grâce à la paramétrisation de l'émission Tcherenkov. Le signal d'un monopôle magnétique se distingue alors clairement du bruit de fond.