L’expérience Double Chooz étudie les anti-neutrinos électroniques provenant de réacteurs nucléaires pour mesurer le paramètre de mélange θ13 dans le phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs souterrains identiques sont placés à différentes distances des réacteurs de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Le Détecteur Lointain est entré en service en avril 2011, et le Détecteur Proche en janvier 2015. Cette thèse présente une analyse des phases simple et double détecteurs de l’expérience. Les neutrinos sont détectés par désintégration β inverse dans Double Chooz, où un positron et un neutron sont émis, créant deux signaux coïncidents. Différentes analyses ont été menées sur des échantillons dans lesquels le neutron capture sur un atome de gadolinium ou d’hydrogène. Une analyse jointe des deux captures est également présentée. Les bruits de fond proviennent de la radioactivité ambiante et des muons atmosphériques (émetteurs (β-n), neutrons rapides et muons s’arrêtant et se désintégrant dans le détecteur). Cette thèse se focalise sur le développement de techniques pour réduire le bruit de fond lié aux muons se désintégrant dans le détecteur. Avec l’aide de collègues de l’APC et du MIT, un TPC à neutrons a été installé dans les deux laboratoires souterrains à Chooz. Cette chambre à projection temporelle, appelée DCTPC, remplie d’un mélange hélium/CF4 mesure le flux, le spectre en énergie, et la direction des neutrons rapides dans les deux laboratoires avec des blindages différents (respectivement 150 et 300 mètres équivalents d’eau pour le Laboratoire Proche et Lointain) / Double Chooz is a reactor anti-neutrino experiment which measures the θ13 mixing parameter in the neutrino oscillation phenomenon thanks to two identical underground detectors located at different distances from the two reactors of the Chooz nuclear power plant in the French Ardennes. The Far Detector started data taking in April 2011 and the Near Detector began operations in January 2015. This thesis presents an analysis of both the single- and twodetector phases. Neutrinos interact in Double Chooz through inverse β decay on protons, where positron and a neutron are emitted, creating two coincident signals. Analyses were performed for each detector on independent samples using the neutron capture on Gadolinium or on Hydrogen. A combined analysis, using both neutron captures is also presented. Backgrounds to the neutrino sample originate from the ambient radioactivity and the abundance of atmospheric muons (cosmogenic (β-n) emitters, fast neutron showers, and muons stopping and decaying inside the detector). This thesis focuses on developing techniques for measuring and reducing the Stopping Muon background. With colleagues from APC and MIT, a 60 litre neutron TPC was installed in both underground laboratories at Chooz. This low pressure He/CF4-based time projection chamber, called DCTPC, measures the flux, energy spectrum and direction of fast neutrons in both locations, with different overburdens (150 and 300 meters water equivalent for the Near and Far Laboratories respectively)

L'expérience Double Chooz étudiera les oscillations des antineutrinos électroniques produits par la centrale nucléaire de Chooz pour mesurer l'angle de mélange θ₁₃. La connaissance actuelle sur ce paramètre, apportée par CHOOZ, peut être améliorée en réduisant les erreurs statistiques et systématiques. Afin de réduire la première de ces deux incertitudes, Double Chooz observera un échantillon de données conséquent. Cette expérience utilisera deux détecteurs identiques pour s'affranchir de la plupart des incertitudes expérimentales intervenant dans les processus de production et de détection. Une attention particulière sera portée sur les bruits de fond engendrés par la radioactivité naturelle et les interactions des rayons cosmiques. <br><br> Nous présentons, dans cette thèse, la simulation que nous avons mise en place pour calculer la sensibilité sur la mesure de θ₁₃ et le potentiel de découverte de l'expérience. Nous nous sommes intéressé en particulier à quantifier les incertitudes liées aux détecteurs limitant la sensibilité sur θ₁₃. Nous avons également pris en compte certains bruits de fond tels que les événements accidentels engendrés par la radioactivité des PM, les événements corrélés produits par les neutrons de spallation ainsi qu'un bruit de fond hypothétique (celui ayant la forme du signal d'oscillation recherché). <br><br> Après trois années de prise de données, Double Chooz permettra d'observer un signal d'oscillation pour sin²(2θ₁₃)>0,05 (à 3σ) ou bien, si aucune oscillation n'est découverte, de mettre une limite de sin²(2θ₁₃)<0,03 à 90 % de confiance.

Un vaste programme international est en cours pour déterminer les paramètres du phénomène d'oscillation des neutrinos et approfondir la connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (MNSP). Le détecteur OPERA, qui est installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, a pour but principal de mettre en évidence l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos initialement de type muon, produit au CERN (CNGS) 730 km en amont. Il est aussi en mesure de détecter les oscillations des neutrinos muon en neutrinos électron, donnant accès au paramètre de mélange sin(2θ13)2, où θ13 est le dernier angle de la matrice MNSP finalement déterminé en 2012 conjointement par Daya Bay, RENO et Double Chooz. Pour déterminer la présence des ντ dans le faisceau, le détecteur OPERA est composé de cibles calorimétriques utilisant une alternance de plaques de plomb et de films d'émulsion. Ceux-ci permettront de reconstruire les traces des particules chargées résultant des interactions neutrino avec une précision inégalable (de l'ordre du micron). La recherche des événements de signal d'oscillation νµ → νe sera basée sur l'aptitude à identifier les électrons, à rejeter les événements de fond où un π0 est produit et à soustraire le fond dominant intrinsèque provenant du faisceau. Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration de méthodes d'analyse pour améliorer les performances du détecteur OPERA dans la recherche d'oscillations νµ → νe .

Un vaste programme international est en cours pour déterminer les paramètres du phénomène d'oscillation des neutrinos et approfondir la connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (MNSP). Le détecteur OPERA, qui est installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, a pour but principal de mettre en évidence l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos initialement de type muon, produit au CERN (CNGS) 730 km en amont. Il est aussi en mesure de détecter les oscillations des neutrinos muon en neutrinos électron, donnant accès au paramètre de mélange sin(2θ13)2, où θ13 est le dernier angle de la matrice MNSP finalement déterminé en 2012 conjointement par Daya Bay, RENO et Double Chooz. Pour déterminer la présence des ντ dans le faisceau, le détecteur OPERA est composé de cibles calorimétriques utilisant une alternance de plaques de plomb et de films d'émulsion. Ceux-ci permettront de reconstruire les traces des particules chargées résultant des interactions neutrino avec une précision inégalable (de l'ordre du micron). La recherche des événements de signal d'oscillation νµ → νe sera basée sur l'aptitude à identifier les électrons, à rejeter les événements de fond où un π0 est produit et à soustraire le fond dominant intrinsèque provenant du faisceau. Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration de méthodes d'analyse pour améliorer les performances du détecteur OPERA dans la recherche d'oscillations νµ → νe . / An international program is ongoing to measure the neutrino oscillation phenomenon and to determine the neutrino mixing matrix (MNSP) parameters. OPERA is a long-baseline neutrino experiment located at the Gran Sasso Laboratory in Italy, 730~km from CERN, downstream in the CNGS neutrino beam. The OPERA experiment is designed and optimised for a direct appearance search of νµ → ντ oscillations. It can also detect the νµ → νe oscillation driven by sin(2θ13)2 , where θ13 is the last mixing angle finally measured by the Daya Bay, RENO, and Double Chooz experiments in 2012. To observe the presence of ντ interactions in the beam, the OPERA detector is composed of calorimetric targets made of a modular structure called the "brick": a sandwich of lead plates interspaced with emulsion layers. The latter allows reconstructing tracks of charged particles produced in the neutrino interactions with a micrometric resolution. The search for the νµ → νe oscillation signal is based on the capability of identifying the electrons, rejecting background events where neutral pions are produced and keeping under control the intrinsic and dominant background source from the beam contamination. This work aims to elaborate analysis methods to improve the OPERA detector performance in the νµ → νe oscillation search.

L’expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l’angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l’étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d’effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d’installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l’effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l’expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l’expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l’étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d’interaction et partant l’efficacité de détection. L’étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l’expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d’améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s’expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d’observer la distorsion — caractéristique de l’oscillation — du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s’attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s’en prémunir sont enfin discutés. / The Double Chooz experiment aims to measure the θ₁₃ mixing angle through the disappearance—induced by the oscillation phenomenon—of anti-neutrinos produced by the Chooz nuclear reactors. In order to reduce systematic uncertainties, the experiment relies on the relative comparison of detected signals in two identical liquid scintillator detectors. The near one, giving the normalization of the emitted flux, is currently being built and will be delivered in spring 2014. The far detector, sensitive to θ₁₃, is located at about one kilometer and is taking data since 2011. In this first phase of the experiment, the far detector data are compared to a prediction of the emitted neutrino flux to estimate θ₁₃. In this thesis, the Double Chooz experiment and its analysis are presented, especially the background studies and the rejection of parasitic signals due to light emitted by photo-multipliers. Neutron fluxes between the different detector volumes impact the definition of the fiducial volume of neutrino interactions and the efficiency of detection. Detailed studies of these effects are presented. As part of the Double Chooz experiment, studies were performed to improve the prediction of neutrino flux emitted by reactors. This work revealed a deficit of observed neutrino rates in the short baseline experiments of last decades. This deficit could be explained by an oscillation to a sterile state. The Stereo project aims to observe a typical signature of oscillations: the distortion of neutrino spectra both in energy and baseline. This thesis presents the detector concept and simulations as well as sensitivity studies. Background sources and the foreseen shielding are also discussed.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure de l'angle de mélange thêta13 via l'étude des oscillations d'antineutrinos électroniques produits par les réacteurs nucléaires de Chooz, à l'aide de deux détecteur identiques, permettant ainsi de s'affranchir de la plupart des incertitudes systématiques. Le détecteur proche, dont le but est la normalisation du flux émis, sera opérationnel en 2013, alors que le lointain, qui prend des données depuis avril 2011, est quant à lui sensible à thêta13, c'est-à-dire à un déficit et une déformation spectrale des antineutrinos électroniques détectés. Au sein de cette thèse l'expérience Double Chooz est présentée, avec sa source de neutrino, sa méthode de détection, et les signal et bruits de fond attendus. Afin de sélectionner ces évènements, de nombreuses quantités doivent être reconstruites, étalonnées et sauvegardées dans des fichiers de données. Un soin spécial est donc apporté à la présentation de la détermination des retards en temps des canaux d'acquisition, de l'algorithme de reconstruction d'énergie et de vertex CocoReco, du logiciel compilant les outils de reconstruction Common Trunk et du réducteur de données Cheetah. En ce qui concerne l'analyse, toutes les coupures de sélection et leurs résultats sont présentés. En particulier, la coupure de multiplicité, la méthode des multiples fenêtres en temps décalées, le véto lithium, et les études relatives au bruit de fond 9Li sont discutés. Pour 227,93 jours de données du détecteur lointain, 8249 candidats neutrino ont été observés. La prédiction du flux émis utilise la mesure de l'expérience Bugey 4 en corrigeant des différences de composition des coeurs. En l'absence d'oscillation, 8937 évènements étaient attendus. Ce déficit est interprété comme une disparition d'antineutrinos électroniques. Une analyse utilisant cette information et la déformation spectrale des antineutrinos électroniques donne sin^2 (2thêta13) = 0,109 +- 0,030 (stat) +- 0,025 (syst) pour Delta m31^2 = 2,32 10^-3 eV^2. L'hypothèse de non-oscillation est exclue à 2,9 sigmas.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l'angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l'étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d'oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d'effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d'installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l'effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l'expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l'expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l'étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d'interaction et partant l'efficacité de détection. L'étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l'expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d'améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s'expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d'observer la distorsion -- caractéristique de l'oscillation -- du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s'attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s'en prémunir sont enfin discutés.

Le cadre global des oscillations de neutrinos est maintenant bien compris et nous quittons une ère d'exploration pour une ère de précision. L'expérience Double Chooz a pour but de mesurer l'angle de mélange theta13 par l'étude des oscillations des antineutrinos électroniques produits par les réacteurs de la centrale nucléaire de Chooz. Dans cette thèse, une sélection préliminaire des neutrinos détectés dans le détecteur proche est présentée. Les résultats les plus récents de Double Chooz, desquels sont extraits la mesure de theta13 la plus précise que l'expérience peut fournir à ce jour, seront également discutés. La géométrie de l'expérience, relativement simple, représente un avantage considérable afin d'effecteur des études de directionalité des neutrinos dont les résultats, obtenus en analysant les jeux de données les plus récents avec captures sur Gd et H, sont présentés. Ce concept de directionalité peut être appliqué à l'astronomie/astrophysique en offrant la possibilité de localiser des supernovas après détection de leurs neutrinos. Les résultats de simulations de directionalité effectuées avec différentes combinaisons de détecteurs seront présentées. Enfin, plusieurs anomalies pourraient s'expliquer par l'existence de nouveaux états, stériles, de neutrinos. Le but de l¿expérience CeSOX est de confirmer ou réfuter cette hypothèse en déployant une source radioactive à coté d'un grand détecteur comme KamLAND ou Borexino. Dans cette thèse seront présentés les résultats des simulations de signaux et de bruits de fond effectuées afin de valider le principe de l'expérience et de s'assurer de sa sensibilité à l'observation d'une oscillation vers un neutrino stérile. / The framework of neutrino oscillations is quite well-understood and now requires precision rather than exploration. The Double Chooz experiment aims at measuring the theta13 mixing angle through the oscillations of electronic antineutrinos produced by the reactors of the Chooz nuclear power plant. The comparison of the interaction rates and spectral shapes in the two Double Chooz's detectors allows the observation of a disappearance and a spectral distortion, both driven by theta13. In this thesis, a preliminary neutrino selection with the near detector, whose data taking started in December 2014, has been performed. The most recent results of Double Chooz, providing the most precise measurement of the experiment, are presented as well.The simple layout of Double Chooz is a strong advantage to conduct directionality studies. Results of these studies using the most recent neutrino candidates with neutron captures on Gd and H are showed. Neutrino directionality can be applied to astronomy, with the localization of core-collapse supernovae. To this purpose, results of directionality measurements performed with combinations of large neutrino detectors over the globe are presented.Finally, recent anomalies observed in short baseline experiments provided hints of the hypothetical existence of additional sterile neutrino states. The goal of the CeLAND/CeSOX experiment is to test this hypothesis by deploying a radioactive source next to a large liquid scintillator detector such as KamLAND or Borexino. In this thesis, are presented results of signal and background simulations performed to validate the design and assess the sensitivity of such an experiment.

L'expérience T2K est une expérience de recherche d'oscillation de saveur de neutrinos utilisant une base longue et la technique du faisceau hors axe. Dans T2K, un faisceau de neutrino est produit dans l'accélérateur J-PARC à Tokai, et est détecté auprès du détecteur Super Kamiokande (SK) à Kamioka, qui se situe à 295 km de Tokai. Cet accélérateur produit un faisceau très pur de nu_mu. Au cours de la propagation des neutrinos entre leur point de production et SK, ils peuvent changer de saveur. C'est ce phénomène que l'on appelle oscillation de saveur des neutrinos. L'objectif principal de T2K est de mesurer certains paramètres décrivant l'oscillation de saveur des neutrinos, et plus particulièrement les paramètres theta13 et deltaCP. Cette estimation est réalisée via la mesure de la probabilité d'oscillation nu_mu -> nu_e, par la recherche d'apparition de nu_e. En 2011, l'expérience T2K a été la première à observer l'apparition de nu_e et a ainsi pu exclure, à 2.5 sigma, une valeur nulle de theta13. Cette thèse présente le travail réalisé pour estimer l'erreur systématique de l'efficacité de reconstruction du bruit de fond pi0. Celui-ci est l'une des principales sources d'erreur affectant la recherche d'apparition de nu_e par la détection d'événements quasi-élastique à courant chargé à SK. Deux méthodes différentes et complémentaires ont été développées. Dans un premier temps, nous avons commencé le développement d'un nouvel outil qui reproduit partiellement la topologie des événements physiques, et en parallèle, nous avons crée un échantillon spécifique pour estimer l'incertitude systématique de l'efficacité de reconstruction des événements pi0. Ce dernier résultat a été utilisé dans l'analyse officielle d'apparition de nu_e publiée en 2011. Le nouvel échantillon produit sera également utilisé dans les futures analyses d'oscillation. En tenant compte de la valeur récemment mesurée de theta13 par des expériences faites auprès de réacteur, nous présentons dans cette thèse la première étude de la phase de violation CP dans le secteur leptonique (deltaCP) en utilisant les données nu_e de T2K.