Dans ce manuscrit, nous abordons une étude expérimentale de magnétohydrodynamique, traitant plus particulièrement du forçage électromagnétique dans les métaux liquides. L’entraînement d’un fluide conducteur de l’électricité par un champ magnétique se traduit par une conversion d’énergie électromagnétique en énergie cinétique, via le travail de la force de Laplace. La motivation de cette thèse est donc d’examiner comment un champ électromagnétique engendre un écoulement, d’étudier les différentes façons d’assurer un tel transfert d’énergie, ou encore de caractériser les facteurs limitant l’efficacité de ce transfert. Cette thèse présente deux expériences de laboratoire permettant d’étudier deux types de forçage différents : d’une part, l’entraînement d’un fluide par induction à partir d’un champ magnétique variable (analogue au moteur asynchrone), d’autre part un entraînement résultant de la combinaison d’un champ magnétique stationnaire et uniforme et d’un courant électrique constant (analogue au moteur à courant continu). Dans une première partie, une loi prédictive est obtenue pour l’évolution d’un fluide soumis à un champ glissant dans le régime turbulent. On montre que cet entraînement est limité par la turbulence, mais aussi par des mécanismes originaux comme une expulsion de flux magnétique, ou un transfert de l’énergie vers des harmoniques. Cette limitation de l’entrainement se traduit par une borne sur le rendement de cette conversion d’énergie, qui ne peut excéder 50%. Dans une seconde partie, le fluide est soumis à deux champs magnétiques glissants dans des directions opposées, engendrant ainsi un écoulement de cisaillement. Les fluctuations turbulentes brisent alors la symétrie du problème et donnent à la couche de cisaillement un comportement chaotique, révélant notamment un spectre de puissance en 1/f du champ de vitesse à basse fréquence. Cette accumulation d’énergie aux basses fréquences est associée à des renversements chaotiques des structures cohérentes. L’apparition de ce bruit en 1/f est contrôlée par la symétrie du forçage et le taux de turbulence au sein de l’écoulement. Enfin, dans une dernière expérience, une couche mince de métal liquide est forcée par conduction, permettant d’observer pour la première fois en laboratoire un écoulement MHD turbulent de type Képlérien. On observe ainsi que le champ magnétique joue un rôle de laminarisation de l’écoulement et que la transition vers le régime turbulent se fait de manière continue. Ces travaux montrent ainsi qu’il est possible d’isoler plusieurs mécanismes limitant l’entraînement des métaux liquides forcés éléctromagnétiquement et de comprendre plus généralement la dynamique complexe des écoulements MHD. / This manuscript describes an experimental study on magnetohydrodynamics, with a particular focus on the electromagnetic driving of liquid metals. Such electromagnetically-driven flows involve transformation of electromagnetic energy into kinetic energy through the Laplace force. The motivation of the present thesis is to examine how an electromagnetic field generates a flow, to study the different ways to ensure such a transfer of energy, or to characterize what bounds the efficiency of this energy conversion. This thesis presents two laboratory experiments studying two different driving : first, the induction of a fluid motion by a traveling magnetic field (similar to an asynchronous motor), then a driving due to the combination of a stationary and uniform magnetic field and a constant electric current (similar to a DC motor). In the first part of the thesis, a predictive scaling law is obtained for the evolution of a fluid subjected to a traveling field in the turbulent regime. It is shown that this driving is strongly limited by turbulence, but also by various mechanisms such as magnetic flux expulsion, or energy transfers to higher harmonics. This limitation results in a bound on the efficiency of this energy conversion, which can never exceed 50%. In a second part, the fluid is subjected to two magnetic fields traveling in opposite directions, thus generating a shear flow. The turbulent fluctuations break the symmetry of the problem and yields a chaotic behavior of the shear layer, revealing a 1/f power spectrum at low frequency. This accumulation of energy at low frequencies is associated with chaotic reversals of large scale coherent structures. The appearance of this 1/f noise is mediated by the symmetry and the turbulence of the flow. Finally, in a last experiment, a thin disc of liquid metal is driven by conduction, leading to the first observation of MHD Keplerian turbulence in the laboratory. It is thus observed that the magnetic field laminarises the flow and that the transition to Keplerian turbulence is continuous. This work shows that it is possible to isolate several mechanisms characterizing electromagnetically-driven flows and to understand the complex dynamics of MHD flows.

L'augmentation des charges électriques embarquées dans l'avion « plus électrique » impose une vigilance accrue au niveau de la compatibilité électromagnétique. L'utilisation d'alimentations à découpage, nécessaires à la commande en vitesse des actionneurs électromécaniques, entraîne la circulation de courant de mode commun dans les câbles de puissance et donc la création de champs électromagnétiques. Les tolérances d'émission des équipements électriques aéronautiques proviennent la norme aéronautique civile DO-160E. Cette étude nous a permis de prédire les modes de rayonnement de plusieurs architectures de connexions des câbles de puissance parcourus par les signaux de l'électronique de puissance, dans les conditions spécifiques imposées par la norme DO-160E et selon leur mode de connexion à la masse. Nous présentons dans un premier temps la modélisation d'un système électrique constitué d'un convertisseur statique à configuration versatile, d'un câble de puissance ainsi que d'une charge. Cette modélisation est ensuite utilisée pour déterminer le champ électromagnétique rayonné par les câbles de puissance. Dans un deuxième temps, nous validons les résultats théoriques par des mesures de champ sur un banc d'essai versatile et représentatif.

La lutte contre la corrosion des structures sous-marines et des navires nécessite l'utilisation d'une protection cathodique adaptée. Cette protection induit alors une circulation de courant électrique dans l'eau de mer et donc la présence d'un champ électromagnétique, détectable par des capteurs. La première idée de ce travail est, à partir de la connaissance de la géométrie et de la physique d'une structure, de prédire le champ électromagnétique généré. La seconde idée est de développer une méthode inverse de diagnostic de corrosion à partir de la mesure de grandeurs électromagnétiques dans l'eau, pour retrouver les zones abîmées. Ainsi, à partir d'une série de mesures dans l'eau, un diagnostic de corrosion est possible et l'extrapolation de la signature électromagnétique à des profondeurs plus lointaines est réalisable. Cette méthode est enfin vérifiée expérimentalement sur quelques cas simples et sur une maquette de navire complexe.

Ce travail a pour cadre la diffusion des ondes électromagnétiques par une ou deux interfaces rugueuses séparant des milieux homogènes. Il s'intéresse plus particulièrement aux modèles asymptotiques, qui permettent de résoudre le problème posé de manière rapide, au détriment d'un domaine de validité restreint.<br />Pour le cas simple interface, après un panorama des méthodes existantes, une étude approfondie de l'approximation dite de Kirchhoff est menée pour le cas de la diffraction en réflexion et en transmission par une simple interface. Cette méthode est réduite à l'approximation dite de l'optique géométrique, valide pour des interfaces fortement rugueuses comparativement à la longueur d'onde, pour calculer plus simplement et plus rapidement la puissance diffusée. Le phénomène d'ombrage de la surface, bien connu pour le cas de la réflexion, l'est beaucoup moins pour le cas de la transmission ; c'est pourquoi il est étudié en détail dans cette thèse. <br />Pour le cas double interface, une étude bibliographique des méthodes existantes nous permet de constater l'absence de méthode basée sur l'extension de l'approximation de Kirchhoff au cas de deux interfaces fortement rugueuses. Ainsi, la méthode développée dans cette thèse permet de pallier ce manque. Cette méthode est exposée en supposant que les deux surfaces sont décorrélées, afin de pouvoir obtenir une expression de la puissance diffusée simple à mettre en œuvre. Par comparaison avec une méthode numérique de référence, la méthode développée a été validée dans le cas bidimensionnel. Une application à la détection de nappes de pétrole sur la surface de la mer est présentée, et la méthode est étendue au cas tridimensionnel.

Le collisionneur LHC du CERN permettra de sonder la matière à des énergies inédites en laboratoire. Le Modèle Standard et ses extensions potentielles seront testés à l'échelle d'énergie du TeV. L'expérience ATLAS est pour cela installée à l'un des quatre points d'interaction du LHC.<br /><br />Le quark top y sera produit en grande quantité. Des résultats compétitifs sur ses mécanismes de production et de décroissance seront rapidement obtenus. Contrairement aux autres quarks, celui-ci ne s'hadronise pas : les effets de spin sont observables. Il se désintègre en un boson W et un quark beau, qui sont polarisés par la violation de la symétrie de parité de l'interaction faible.<br /><br />Cette thèse présente l'étude prospective de la polarisation des bosons W produits dans la décroissance, en un lepton chargé et un ensemble de jets, des paires de quarks top. Cette mesure est réalisée par la prédiction de la distribution angulaire expérimentale du lepton chargé, pour chaque état d'hélicité du boson W. Elle permet de contraindre le vertex d'interaction entre le quark top, le boson W et le quark beau. La sensibilité de l'expérience ATLAS aux différents couplages anormaux du vertex d'interaction est estimée dans une approche générique.<br /><br />La validation des résultats d'ATLAS nécessitera une bonne connaissance des détecteurs. Son calorimètre électromagnétique est notamment caractérisé par étalonnage électronique. Cette thèse présente l'étude de deux effets parasites, la gigue et la diaphonie, conduite sur le calorimètre électromagnétique d'ATLAS lors de son installation finale. L'intérêt des analyses de diaphonie pour la caractérisation des voies défectueuses du calorimètre est également dégagé.

Le boson chargé W sera abondamment produit au Large Hadron Collider (LHC) dans des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 14 TeV: sa fréquence de production est 1 Hz à basse luminosité. Sa désintégration dans le canal électron aura une signature claire dans le détecteur ATLAS, marquée par un électron de haute impulsion transverse et une énergie transverse manquante élevée. Le détecteur ATLAS est un détecteur généraliste constitué d'un détecteur de traces, d'un calorimètre électromagnétique, d'un calorimètre hadronique et d'un spectromètre à muon. Entièrement installé dans sa caverne, il a enregistré des données avec le premier faisceau du LHC en septembre 2008.<br />Une première partie de la thèse consiste dans le développement d'une stratégie d'analyse pour la mesure de la section efficace de production inclusive du boson $W$ avec les premières données d'ATLAS, maximisant l'utilisation des données par rapport aux simulations Monte-Carlo. Les principales sources d'incertitude systématique sont mises en évidence et étudiées: une précision sur la mesure meilleure que 10% sera accessible dès la première phase de l'expérience. Une seconde partie est consacrée à l'alignement en temps des canaux de lecture des calorimètres à argon liquide, étape nécessaire pour atteindre les performances nominales. Des constantes de temps sont calculées à partir des données enregistrées en septembre 2008: elles permettront d'assurer un alignement en temps à 2-3 ns de tous les canaux pour les premières collisions

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est une contribution à l'étude et la modélisation thermique et électromagnétique des systèmes de réfrigération magnétique. Il montre déjà clairement que la conception et l'optimisation de ces systèmes doivent faire appel à des outils de simulation numérique spécifiques, car les difficultés liées au comportement thermique, au comportement magnétique, aux contraintes mécaniques et surtout aux besoins de l'utilisateur sont souvent nombreuses. Les modélisations thermique et électromagnétique ont été menées dans ce travail de manière indépendante. Nous espérons avoir posé, par ce travail, les jalons des systèmes de réfrigération magnétique qui permettront à des recherches ultérieures d'approfondir un ou plusieurs des systèmes proposés ou même de s'en inspirer pour faire la conception de nouveaux systèmes et les réaliser.

Depuis 1994, j'ai travaillé dans les expériences OPAL et ALEPH au LEP puis dans l'expérience ATLAS au LHC. <br />Dans OPAL, j'ai travaillé sur la physique des mésons D*. J'ai contribué à la mesure de (Z0 c cbar)/ (Z0 hadrons), de l'énergie moyenne des D* xc D* et de la multiplicité moyenne du processus de division gluonique g c cbar, ng c cbar , dans les désintégrations hadroniques du Z0. Par la suite, j'ai travaillé sur la mesure de l'alignement du spin des mésons D*, puis avec George Lafferty, nous avons écrit un article sur les mesures d'alignement de spin des mésons vecteurs dans OPAL. Enfin, j'ai participé à la construction du détecteur Tile Endcap d'OPAL. Dans ALEPH, j'ai travaillé sur la mesure de la masse du W à LEP2. J'ai implémenté le canal e+e- WW q qbar dans l'analyse. J'ai dirigé le groupe Mesure de la masse du W semileptonique au sein d'ALEPH. Nous avons élaboré des méthodes d'ajustements pour déterminer la masse invariante, puis une méthode de repondération de données simulées pour extraire la masse du W à partir de la distribution de la masse invariante. Dans ATLAS, avec Georges Azuelos, nous avons publié un article sur la recherche du radion dans le modèle des dimensions supplémentaires de Randall et Sundrum. Ensuite, avec le thésard que je co-dirigeais, Christophe Le Maner, son directeur Luc Poggioli, et Elzbieta Richter-Was, nous avons publié un article sur la recherche du boson de Higgs produit par fusion bosonique faible avec le Higgs se désintégrant selon H WW l q qbar. Enfin, j'ai participé à l'analyse des données des divers tests en faisceau du SPS dont le but était d'étudier 4 des modules du calorimètre électromagnétique tonneau. J'ai contribué à l'élaboration d'un programme de monitorage, à l'optimisation du code et à la production des coefficients de filtrage optimal et j'ai effectué une étude de la diaphonie dans le détecteur avec son implémentation dans la détermination de ces derniers coefficients. J'ai aussi participé à la construction et au câblage d'un certain nombre de modules du calorimètre électromagnétique argon liquide. J'ai co-dirigé deux théses (C.LeManer: soutenue, F.Tarrade: en cours), et dirigé des étudiants en thèse (B.Raven, E.Thomson) et des étudiants d'été (M.Doucet, I.Trigger). J'ai enseigné au CEGEP au Québec, pendant ma thèse à l'Université de Montréal, puis au CNAM en France. J'ai participé à l'organisation d'un certain nombre de manifestations en physique des particules i.e. PAF, les Houches, Spin Workshop, semaine OPAL. J'ai été invitée à donner des séminaires dans des conférences internationales et nationales i.e. CIPANP2000, Hommage à Trân Thanh Vân, Rencontres du Vietnam. Je participe à des échanges avec d'autres pays : la Pologne et le Maroc. Je m'intéresse à la vulgarisation des sciences et viens de donner une conférence à l'Université de Tous les Savoirs sur la physique aux accélérateurs

Ce travail de thèse présente une recherche expérimentale de particules supersymétriques, les<br />charginos et neutralinos, avec le détecteur L3 auprès du collisionneur e+e- LEP à une énergie<br />dans le centre de masse de s = 161, 172 et 183 GeV. Dans le cadre de la conservation de la<br />R-parité, les événements recherchés ont une énergie manquante significative emportée par la<br />plus legère des particules supersymétriques (LSP), ce qui permet de les distinguer des<br />événements standards. Pour cela, un ensemble de sélections qui optimisent le rapport<br />signal sur bruit est mis au point pour chaque type de signal à chaque énergie. L'absence<br />d'excès d'événements par rapport aux prédictions du modèle standard permet de mettre des<br />limites sur les sections efficaces de production des charginos et neutralinos. Interprétés<br />dans le cadre du MSSM contraint, ces resultats, combinés avec les recherches de sleptons<br />effectuées parallèlement dans la collaboration L3, permettent de mettre des limites inférieures<br />sur la masse des charginos et neutralinos ; en particulier, on exclut à 95% de niveau de confiance<br />un neutralino plus léger que 25.9 GeV/c2. Ceci a des conséquences importantes sur<br />l'interprétation de la matière cachée de l'univers. La recherche d'événements à énergie<br />manquante implique une bonne hermiticité du détecteur. A ce titre, fin 1995, un calorimètre<br />électromagnétique supplémentaire a été installé dans l'expérience L3. On présente l'utilisation,<br />l'amélioration des performances et la calibration de ce détecteur constitué de modules fait<br />en Plomb avec des fibres scintillantes (SPACAL).

La recherche du boson de Higgs implique une bonne uniformité de la réponse du calorimètre électromagnétique d'ATLAS pour l'étude de ses canaux leptoniques et photoniques.<br /><br /><br />Dans la première partie de cette thèse, j'ai développé un outil de monitorage fiable pour s'assurer de la qualité des données prises lors de ces tests, démontré que la procédure de production des coefficients de filtrage optimal comporte un artefact qui influe sur l'uniformité de la réponse en énergie d'un module et contribué à la mise en place d'un algorithme de remplacement des coefficients manquants.<br /><br /><br />La seconde partie concerne l'étude du canal q q H -> q q W W -> q q l nu j j pour un Higgs de 300 GeV/c2. Le résultat rapporte dans le TER ne permettait pas d'exploiter ce canal pour une découverte car les distributions du signal et des fonds se confondaient. Grâce à une nouvelle approche plus globale associée à une nouvelle coupure soir la masse du système Wj et à un relâchement de certaines coupures, j'ai montré que ce canal permet la découverte du boson de Higgs ainsi que la mesure du couplage H -> WW.