Les travaux de recherche présentés dans cette thèse étudient la vitesse des neutrinos mesurée par l’expérience OPERA sur le faisceau CNGS au CERN. Divers modèles théoriques de gravité quantique et d’extra-dimensions prévoient des effets importants sur la violation de la conservation de Lorentz qui serait observable par la mesure de la vitesse des neutrinos. L’expérience MINOS a publié en 2007 une mesure de la vitesse des neutrinos muoniques sur une distance de 730 km avec un écart par rapport à celui de la lumière de 126 ns avec une erreur statistique de 32 ns et une erreur systématique de 64 ns. L’expérience OPERA détecte également des neutrinos muoniques ayant parcourut 730 km avec une sensibilité significativement meilleure que MINOS grâce à une statistique plus élevée due à l’énergie plus élevée du faisceau et à le système de synchronisation entre OPERA et le faisceau CNGS beaucoup plus sophistiquée et modifié dans le but de réduire l’erreur systématique. Ce système est composé par des horloges au césium et de récepteurs GPS spéciaux fonctionnant en common view mode. Le tout permet un time transfer entre les deux sites précis à l’ordre de 1 ns. Un système d’échantillonnage à 1 GHz (fast waveform digitizer) capable de reconstruire la distribution temporelle des protons envoyés sur la cible du CNGS a été intégré au système existant de mesure du faisceau CNGS. Le résultat consiste en la mesure de la vitesse des neutrinos produits artificiellement avec la précision la plus élevée jamais atteinte: le temps de vol des neutrinos a été déterminé avec une incertitude statistique d’environ 10 ns et une incertitude systématique plus petite de 20 ns. / The thesis concerns the measurement of the neutrino velocity with the OPERA experiment in the CNGS beam. There are different theoretical models that allow for Lorentz violating effects which can be investigated with measurements on terrestrial neutrino beams. The MINOS experiment published in 2007 a measure on the muon neutrinos over a distance of 730 km finding a deviation with respect to the expected time of flight of 126 ns with a statistical error of 32 ns and a systematic error of 64 ns. The OPERA experiment observes as well muon neutrinos 730 km away from the source, with a sensitivity significantly better than MINOS thanks to the higher number of interactions in the detector due to the higher energy beam and the much more sophisticated timing system explicitly upgraded in view of the neutrino velocity measurement. This system is composed by atomic cesium clocks and GPS receivers operating in “common view mode”. Thanks to this system a time-transfer between the two sites with a precision at the level of 1 ns is possible. Moreover, a Fast Waveform Digitizer was installed along the proton beam line at CERN in order to measure the internal time structure of the proton pulses that are sent to the CNGS target. The result on the neutrino velocity is the most precise measurement so far with terrestrial neutrino beams: the neutrino time of flight was determined with a statistical uncertainty of about 10 ns and a systematic uncertainty smaller than 20 ns.

Les oscillations de neutrinos occupent la majeure partie des expériences s'intéressant à cette particule. Ce mécanisme utilise le fait que les neutrinos soient massifs pour permettre de passer d'un état de saveur à un autre. L'expérience OPERA commencera à prendre des données au printemps 2006. Son but est de prouver sans ambiguïté ce mécanisme en observant l'apparition de neutrinos tauïques dans le faisceau CNGS composé de neutrinos muoniques. Cette thèse présente une description des faisceaux de neutrinos, en s'appuyant sur le faisceau CNGS, tiré du CERN vers le laboratoire italien du Gran Sasso. Le flux de ces neutrinos est recalculé, et des simulations sont menées pour étudier les défauts d'alignement des éléments de la ligne de faisceau. Le détecteur OPERA est composé de briques faites d'un empilement de plaques de plomb et de films d'émulsion photographique, de deux trajectrographes et de deux spectromètres. La haute résolution en position des émulsions (<1 mu m) permet d'identifier les tau crées par l'interaction par courant chargé des neutrinos tauïques. La localisation des briques touchées par un neutrino est faite à l'aide d'un réseau de scintillateurs. La reconstruction des traces dans ces scintillateurs, ainsi que dans les spectromètres, fait partie des travaux présentés dans cette thèse. Un algorithme d'identification des muons a également été développé dans cette thèse. Il permet une réduction d'un facteur 20 du bruit de fond charmé. Le futur de la physique des oscillations de neutrinos passe par la construction de faisceaux de neutrinos de plus en plus intenses, pour arriver à mesurer les derniers paramètres inconnus (theta13 et deltaCP). Le projet de faisceau du CERN vers le tunnel de Fréjus est revisité dans la dernière partie de cette thèse. Une optimisation complète de la ligne de faisceau est proposée, et permet d'atteindre une sensibilité de theta13 de l'ordre du degré.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse étudient la vitesse des neutrinos mesurée par l'expérience OPERA sur le faisceau CNGS au CERN. Divers modèles théoriques de gravité quantique et d'extra-dimensions prévoient des effets importants sur la violation de la conservation de Lorentz qui serait observable par la mesure de la vitesse des neutrinos. L'expérience MINOS a publié en 2007 une mesure de la vitesse des neutrinos muoniques sur une distance de 730 km avec un écart par rapport à celui de la lumière de 126 ns avec une erreur statistique de 32 ns et une erreur systématique de 64 ns. L'expérience OPERA détecte également des neutrinos muoniques ayant parcourut 730 km avec une sensibilité significativement meilleure que MINOS grâce à une statistique plus élevée due à l'énergie plus élevée du faisceau et à le système de synchronisation entre OPERA et le faisceau CNGS beaucoup plus sophistiquée et modifié dans le but de réduire l'erreur systématique. Ce système est composé par des horloges au césium et de récepteurs GPS spéciaux fonctionnant en common view mode. Le tout permet un time transfer entre les deux sites précis à l'ordre de 1 ns. Un système d'échantillonnage à 1 GHz (fast waveform digitizer) capable de reconstruire la distribution temporelle des protons envoyés sur la cible du CNGS a été intégré au système existant de mesure du faisceau CNGS. Le résultat consiste en la mesure de la vitesse des neutrinos produits artificiellement avec la précision la plus élevée jamais atteinte : le temps de vol des neutrinos a été déterminé avec une incertitude statistique d'environ 10 ns et une incertitude systématique plus petite de 20 nanosecondes.

<p>This thesis is based on work done in two different experimental projects. </p><p>The first project, the Tau RICH, is a previously proposed τ-neutrino appearance experiment for the CERN neutrino beam at the Gran Sasso laboratory in Italy. The proposed experimental concept is based on the use of focusing RICH detectors with liquid radiator (C₆F₁₄). Simulations made with a Geant4 code show that in the proposed experimental set-up, Cherenkov light from delta electrons will constitute a severe background that in practice would render the experiment unfeasible.</p><p>The second project, ATLAS, is a general purpose detector at the CERN 14 TeV proton-proton collider LHC which will start operation in 2007. To make the reconstruction and selection of the events in ATLAS more accurate, complete and up-to-date information on the interaction of the produced particles with the detector is needed. A service program code, the Material Integration Service (MIS), has been developed which makes use of the detector descriptions already available in a Geant4 code and which uses a novel algorithm, based on line integrals evaluated within small volume elements that build up the detector. This code is demonstrated to constitute a practically useful tool of satisfactory performance and accuracy.</p><p>The charged Higgs boson production in the gluon-bottom quark mode, gb → tH^±, followed by charged Higgs decays into a chargino and a neutralino, is studied for a specific choice of values for the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) parameters. It is shown, using a Monte Carlo code to simulate the ATLAS detector and the assumed MSSM physics model, that for an integrated luminosity of 300 fb^-1, in the intermediate region 4 < tanβ < 10 where H^± decays to SM particles cannot be used for H^± discovery, charged Higgs decays to non-SM particles can be used for Higgs discovery at the 5 σ significance level.</p>

This thesis is based on work done in two different experimental projects. The first project, the Tau RICH, is a previously proposed τ-neutrino appearance experiment for the CERN neutrino beam at the Gran Sasso laboratory in Italy. The proposed experimental concept is based on the use of focusing RICH detectors with liquid radiator (C6F14). Simulations made with a Geant4 code show that in the proposed experimental set-up, Cherenkov light from delta electrons will constitute a severe background that in practice would render the experiment unfeasible. The second project, ATLAS, is a general purpose detector at the CERN 14 TeV proton-proton collider LHC which will start operation in 2007. To make the reconstruction and selection of the events in ATLAS more accurate, complete and up-to-date information on the interaction of the produced particles with the detector is needed. A service program code, the Material Integration Service (MIS), has been developed which makes use of the detector descriptions already available in a Geant4 code and which uses a novel algorithm, based on line integrals evaluated within small volume elements that build up the detector. This code is demonstrated to constitute a practically useful tool of satisfactory performance and accuracy. The charged Higgs boson production in the gluon-bottom quark mode, gb → tH±, followed by charged Higgs decays into a chargino and a neutralino, is studied for a specific choice of values for the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) parameters. It is shown, using a Monte Carlo code to simulate the ATLAS detector and the assumed MSSM physics model, that for an integrated luminosity of 300 fb-1, in the intermediate region 4 &lt; tanβ &lt; 10 where H± decays to SM particles cannot be used for H± discovery, charged Higgs decays to non-SM particles can be used for Higgs discovery at the 5 σ significance level.

The thesis concerns the measurement of the neutrino velocity with the OPERA experiment in the CNGS beam. There are different theoretical models that allow for Lorentz violating effects which can be investigated with measurements on terrestrial neutrino beams. The MINOS experiment published in 2007 a measure on the muon neutrinos over a distance of 730 km finding a deviation with respect to the expected time of flight of 126 ns with a statistical error of 32 ns and a systematic error of 64 ns. The OPERA experiment observes as well muon neutrinos 730 km away from the source, with a sensitivity significantly better than MINOS thanks to the higher number of interactions in the detector due to the higher energy beam and the much more sophisticated timing system explicitly upgraded in view of the neutrino velocity measurement. This system is composed by atomic cesium clocks and GPS receivers operating in "common view mode". Thanks to this system a time-transfer between the two sites with a precision at the level of 1 ns is possible. Moreover, a Fast Waveform Digitizer was installed along the proton beam line at CERN in order to measure the internal time structure of the proton pulses that are sent to the CNGS target. The result on the neutrino velocity is the most precise measurement so far with terrestrial neutrino beams: the neutrino time of flight was determined with a statistical uncertainty of about 10 ns and a systematic uncertainty smaller than 20 ns.

OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) est une expérience sur faisceau de neutrino située dans le Hall C du laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), en Italie, à une profondeur équivalente à 3.8 km d'eau (correspondant à une coupure en énergie à 1.5 TeV pour les muons à la surface). L'objectif premier d'OPERA est l'observation directe de l'oscillation νμ ➝ ντ dans le secteur des neutrinos atmosphériques par apparition d'événements ντ à 730km de la cible, dans un faisceau (CNGS) quasiment pur en νμ. OPERA est un détecteur hybride contenant une partie cible (~125 000 briques composées d'une succession de feuilles d'émulsion et de plomb) instrumentée et d'un spectromètre. La prise de données a commencé en 2006 et 55 000 événements neutrinos ont été enregistrés à ce jour. Le premier candidat ντ a été observé cette année. Le travail produit pendant cette thèse est axé suivant trois sujets principaux : la définition de règles de déclenchement du système d'acquisition du trajectographe pour les événements neutrinos du faisceau, la synchronisation des éléments du trajectographe et des plans de RPC ainsi que l'implémentation des résultats dans la simulation et l'étude de la faisabilité d'une analyse des oscillations des neutrinos atmosphériques dans les données hors-faisceau. La modification des règles de déclenchement du trajectographe a permis d'atteindre les valeurs proposées dans le proposal d'OPERA, ie une efficacité de déclenchement supérieure à 99%. Cette évolution a été rendu possible par la mise en place de fenêtres en temps en coïncidence avec le faisceau CNGS pendant lesquelles les coupures sont abaissées, permettant de récupérer les événements de basse multiplicité. Une étude poussée de l'intercalibration des détecteurs électroniques a permis la synchronisation de l'ensemble des informations venant des éléments du trajectographe et des RPC. Les résultats de cette analyse sont maintenant inclus dans la simulation du détecteur. Le travail de calibration a permis de produire une étude sur l'oscillation des neutrinos atmosphériques "hors-faisceau" grace à la détection de particules montantes. Les analyses présentées dans cette thèse ont permis une meilleure compréhension du détecteur d'OPERA et démontré sa capacité à observer des phénomènes ne dépendant pas du faiseau CNGS. Des analyses sur la détection des neutrinos atmosphériques et la caractérisation du flux de muons cosmiques (variations saisonnières entre autres) sont désormais possibles grace à la statistique accumulée et la compréhension plus fine des systèmes d'acquisition. Les corrections sur la propagation des signaux dans les détecteurs électroniques sont aujourd'hui utilisées pour la mesure de la vélocité des neutrinos du faisceau / OPERA (" Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus ") is a neutrino beam experiment located in hall C of the Gran Sasso underground laboratory (LNGS), in Italia, under a equivalent of 3.8 km water (corresponding to a cut at 1.5 TeV for the muons). The first purpose of OPERA is the direct observation of the νμ ➝ ντ oscillation in the atmospheric sector observing an ντ appearance 730 km away from the target in a quasi pure νμ beam (CNGS). OPERA is an hybrid detector with an instrumented target part (~125 000 bricks made with emulsion and lead sheets) and a spectrometer. The data taking have started in 2006 and 55 000 events have been registred. The first ντ candidate have been observed this year. The work done during this thesis is oriented around three main topics : Define the trigger rules of the target tracker acquisition system for beam neutrino events, synchronise target tracker and RPC elements, implement the results inside the simulation and the study of the feasibility of an atmospheric neutrino analysis using off-beam data. The new trigger rules succeeds to reach the values of OPERA proposal, ie a trigger efficiency greater than 99%. This improvement have been done thanks to coincidence time windows with the CNGS beam during which lower cut are applied, allowing low multiplicity events to be kept. A deep study of electronic detectors intercalibration makes possible the target tracker and RPC data synchronisation. The analysis results are now included in the official simulation. This calibration work have been then used for a study of " off-beam " atmospheric neutrino oscillation thanks to the selection of up-going particles. The analysis showed in the thesis have improved the OPERA detector understanding and demonstrate the feasability of an observation of phenomenoms independant from the CNGS beam. Analysis on atmospherics neutrino detection and muons flux caracterisation (seasonal variations for example) are now possible thanks to the accumulated statistics and the deeper understanding of the acquisition systems. Correction on signal propagation inside the electronic detectors are now used for a neutrino velocity measurement

OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) est une expérience sur faisceau de neutrino située dans le Hall C du laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), en Italie, à une profondeur équivalente à 3.8 km d'eau (correspondant à une coupure en énergie à 1.5 TeV pour les muons à la surface). L'objectif premier d'OPERA est l'observation directe de l'oscillation νμ ➝ ντ dans le secteur des neutrinos atmosphériques par apparition d'événements ντ à 730km de la cible, dans un faisceau (CNGS) quasiment pur en νμ. OPERA est un détecteur hybride contenant une partie cible (~125 000 briques composées d'une succession de feuilles d'émulsion et de plomb) instrumentée et d'un spectromètre. La prise de données a commencé en 2006 et 55 000 événements neutrinos ont été enregistrés à ce jour. Le premier candidat ντ a été observé cette année. Le travail produit pendant cette thèse est axé suivant trois sujets principaux : la définition de règles de déclenchement du système d'acquisition du trajectographe pour les événements neutrinos du faisceau, la synchronisation des éléments du trajectographe et des plans de RPC ainsi que l'implémentation des résultats dans la simulation et l'étude de la faisabilité d'une analyse des oscillations des neutrinos atmosphériques dans les données hors-faisceau. La modification des règles de déclenchement du trajectographe a permis d'atteindre les valeurs proposées dans le proposal d'OPERA, ie une efficacité de déclenchement supérieure à 99%. Cette évolution a été rendu possible par la mise en place de fenêtres en temps en coïncidence avec le faisceau CNGS pendant lesquelles les coupures sont abaissées, permettant de récupérer les événements de basse multiplicité. Une étude poussée de l'intercalibration des détecteurs électroniques a permis la synchronisation de l'ensemble des informations venant des éléments du trajectographe et des RPC. Les résultats de cette analyse sont maintenant inclus dans la simulation du détecteur. Le travail de calibration a permis de produire une étude sur l'oscillation des neutrinos atmosphériques "hors-faisceau" grace à la détection de particules montantes. Les analyses présentées dans cette thèse ont permis une meilleure compréhension du détecteur d'OPERA et démontré sa capacité à observer des phénomènes ne dépendant pas du faiseau CNGS. Des analyses sur la détection des neutrinos atmosphériques et la caractérisation du flux de muons cosmiques (variations saisonnières entre autres) sont désormais possibles grace à la statistique accumulée et la compréhension plus fine des systèmes d'acquisition. Les corrections sur la propagation des signaux dans les détecteurs électroniques sont aujourd'hui utilisées pour la mesure de la vélocité des neutrinos du faisceau.