Thèse de doctorat : Physique Subatomique : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 2 p.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2003. / Titre provenant de l'écran titre. 52 réf. bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique des particules : Lyon 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 229-233.

Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ``fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM. / Despite the numerous successes of the Standard Model of particle physics, it is believed that the complete picture of particle physics could be larger, as a unified theory for instance, and thus many efforts have been devoted to the development of theories of new physics. Supersymmetry is one of the most popular extensions since in addition to a solution of the naturalness issue, it provides a viable dark matter candidate. This last sector being all the more important now that recent experimental measurements have significantly increased our knowledge about dark matter properties, in particular the experimental determination of the relic density has reached the accuracy of a few percent. When applied to the Minimal Supersymmetric Standard Model (the MSSM, which is the simplest supersymmetric extension of the Standard Model), this constraint will thus shed light on the one-loop structure of the model. The MSSM is however much more liberal with unconstrained parameters than the Standard Model is, and the full one-loop computation of the relic density tends to be too long to be carried out throughout this large parameter space. In this thesis I have thus explored the opportunity of accounting for those loop corrections through a set of effective couplings. This effective approach has the advantage of keeping the simplicity of a tree-level computation but encoding at the same time genuine loop features such as the non-decoupling of heavy particles. Complementary to those constraints are the observables related to the LHC, which started taking data shortly after the beginning of my PhD in fall 2009. The Higgs sector of the MSSM is tightly constrained and this results in a certain fine-tuning of the model, which led to the creation of many models beyond the MSSM (such as the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Arguing for a more general approach, I have decided in this thesis to use again the effective approach but with a different aim : while the effective couplings in the case of dark matter are determined to account for the MSSM loop corrections, the effective operators we add to the Higgs sector of the MSSM are the remnants of the integration of a heavy extra spectrum. This effective approach, called the BMSSM (for Beyond the MSSM) is known to account for many different realisations of non-minimal supersymmetry, and we have used it as a framework to recast the results of the Higgs analyses carried out by ATLAS and CMS collaborations. This study has led to the caracterisation of the rich phenomenology of the Higgs sector in the BMSSM, with in particular the possibility for a signal quite different from Standard Model or MSSM expectations. Though based on distinct aims, the two implementations of the effective approach show the different advantages of an effective field theory. In the first case the effective operators are parametrising the effect of an unknown UV completion, whereas in the second we assume this UV completion to be the MSSM.

La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée.

Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ''fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM.

Pour les accélérateurs de particules à hautes énergies, le système de verrouillage est une partie clé de la protection de la machine. Le verrouillage de la machine est l’inhibition du faisceau dès lors qu’un équipement critique tombe en panne et/ou qu’un faisceau est de faible qualité. Pour un système de verrouillage, sa sûreté de fonctionnement est la caractéristique la plus importante. Cette thèse présente le développement d’un système de verrouillage pour les collisionneurs linéaires avec une application au projet CLIC (Compact Linear Collider). Son élaboration s’appuie sur la norme d’ingénierie IEEE 1220 et se décline en quatre parties. Tout d’abord, les spécifications sont établies. Une attention particulière est portée sur la sûreté de fonctionnement, plus précisément, la fiabilité et la disponibilité du système. La deuxième étape est la proposition d’un design. Celui-ci est basé sur une analyse fonctionnelle, les interfaces du système et l’architecture du CLIC. Troisièmement, une étude de faisabilité est effectuée en appliquant les concepts dans un environnement opérationnel. Finalement, la dernière étape est la vérification matérielle. Le but est de prouver que le design proposé est capable de remplir le cahier des charges établi. / For high energy accelerators, the interlock system is a key part of the machine protection. The interlock principle is to inhibit the beam either on failure of critical equipment and/or on low beam quality evaluation. The dependability of such a system is the most critical parameter. This thesis presents the design of an dependable interlock system for linear collider with an application to the CLIC (Compact Linear Collider) project. This design process is based on the IEEE 1220 standard and is is divided in four steps. First,the specifications are established, with a focus on the dependability, more precisely the reliability and the availability of the system. The second step is the design proposal based on a functional analysis, the CLIC and interfaced systems architecture. Third, the feasibility study is performed, applying the concepts in an accelerator facility. Finally, the last step is the hardware verification. Its aim is to prove that the proposed design is able to reach the requirements.

Un défi important pour les futurs collisionneurs linéaires électron-positron est de pouvoir focaliser le faisceau à des tailles transverses de l’ordre du nanomètre au point d’interaction (IP), permettant d’atteindre la luminosité de conception. Le système délivrant les faisceaux d’e- et de e + de la sortie du Linac principal vers le point d’interaction, le Beam Delivery System (BDS), réalise les fonctions critiques requises pour atteindre l’objectif de luminosité, tel que la collimation et la focalisation du faisceau. Le faisceau est focalisé par le système de focalisation finale (FFS) tout en corrigeant les aberrations d’ordre supérieur propagées le long du système. Les effets chromatiques contribuant à l’élargissement de la taille du faisceau, sont amplifiés par la force de focalisation des deux derniers quadripôles QF1 et QD0, ou doublet final (FD), et par la longueur de la distance focale finale L* entre QD0 et l’IP. L’approche de correction de la chromaticité retenue pour les deux grands projets actuels de collisionneurs linéaires, CLIC et ILC, est fondée sur la correction locale de la chromaticité générée par le doublet final. Ce schéma est actuellement testé à l’ATF2 au KEK (Japon). Ce travail de thèse se concentre sur les problématiques liées au système de focalisation finale du projet CLIC re-optimisé avec un plus long L*, dans le cadre de la simplification de l’interface machine-détecteur (MDI), ainsi que sur le travail expérimental conduit à l’ATF2 pour l’optimisation et l’étude des optiques du système de focalisation finale à ultra-bas β* incluant les tout premiers est in situ des octupôles à l’ATF2. / The future machines considered to carry out high precision physics in the TeV energy regime are electron-positron (e+e−) linear colliders. Future linear colliders feature nanometer beam spot sizes at the Interaction Point. The Beam Delivery System (BDS) transports the e + and e− beams from the exit of the linacs to the IP by performing the critical functions required to meet the CLIC luminosity goal such as beam collimation and focusing. The beam is focused through the Final Focus System while correcting higher order transport aberrations in order to deliver the design IP beam sizes. The chromatic contributions are amplified by the focusing strength of the two last quadrupoles named QD0 and QF1, reffered to as the Final Doublet (FD), and by the length of the final focal distance L* between QD0 and the IP. The chromaticity correction approach chosen for the CLIC FFS is based on the Local chromaticity correction scheme which uses interleaved pairs of sextupole magnets in the FD region in order to locally and simultaneously correct horizontal and vertical chromaticity. The current linear collider projects, the Compact Linear Collider (CLIC) and the International Linear Collider (ILC) have FFS lattices based on the Local Chromaticity correction scheme. This scheme is being tested in the Accelerator Test Facility 2 (ATF2) at KEK (Japan). This thesis concentrates on problems related to the optimization of BDS lattices for the simplification of the CLIC Machine Detector Interface (MDI) and on the experimental work for the implementation and study of a CLIClike FFS optics for the ATF2, referred to as ultra-low β* optics.

Ce travail de recherche présente l’étude, conception et validation d’une topologie de convertisseur de puissance pulsé qui compense la chute de tension pour des modulateurs de type klystron de haute performance. Cette topologie est capable de compenser la chute de tension du banc de condensateur principal et, en même temps, de faire fonctionner le modulateur avec une consommation de puissance constante par rapport au réseau électrique. Ces spécifications sont requises par le projet Compact Linear Collider (CLIC) pour les modulateurs klystron de son Drive Beam. Le dimensionnement du système est effectué à partir d’un outil d’optimisation globale développé à partir des modèles analytiques qui décrivent les performances de chaque composant du système. Tous les modèles sont intégrés dans un processus optimal intermédiaire de conception qui utilise des techniques d’optimisation afin de réaliser un dimensionnement optimal du système. Les performances de cette solution optimale intermédiaire sont alors évaluées à l’aide d’un modèle plus fin basé sur des simulations numériques. Une technique d’optimisation utilisant l’approche «space mapping» est alors mise en oeuvre. Si l’écart entre les performances prédites et les performances simulées est important, des facteurs de correction sont appliqués aux modèles analytiques et le processus d’optimisation est relancé. Cette méthode permet d’obtenir une solution optimale validée par le modèle fin en réduisant le nombre de simulations. La topologie finale sélectionnée pour le cahier des charges du modulateur CLIC est validée expérimentalement sur des prototypes à échelle réduite. Les résultats valident la méthodologie de dimensionnement et respectent les spécifications. / This research work presents the study, design and validation of a pulsed power converter topology that performs accurate voltage droop compensation for high performance klystron modulators. This topology is capable of compensating the voltage droop of the intermediate capacitor bank and, at the same time, it makes possible a constant power consumption operation of the modulator from the utility grid. These two main specifications are required for the Compact Linear Collider (CLIC) Drive Beam klystron modulators. The dimensioning of the system is performed by developing a global optimization design tool. This tool is first based on developed analytical models describing the performances of each system subcomponent. All these models are integrated into an intermediate design environment that uses nonlinear optimization techniques to calculate an optimal dimensioning of the system. The intermediate optimal solution performances are then evaluated using a more accurate model based on numerical simulation. Therefore, an optimization technique using «space mapping» is implemented. If differences between predicted performances and simulated results are non-negligible, correction factors are applied to the analytical models and the optimization process is launched again. This method makes possible to achieve an optimal solution validated by numerical simulation while reducing the number of numerical simulation steps. The selected final topology for the CLIC klystron modulator is experimentally validated using reduced scale prototypes. Results validate the selected methodology and fulfill the specifications.

La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée. / The Dark Matter problem is one of the most relevant quests for the understanding of the elementary constituents of the Universe: the nature of the Dark Matter is still unveiled. Experimental efforts aiming to detect the Dark Matter have shown a great progress in the last decade. This work is devoted to the phenomenological and astroparticle studies of Dark Matter candidates of supersymmetric nature -the neutralino- and beyond -scalar particles. The former, in the 1-100 GeV mass range, is currently being tested by the Large Hadron Collider, direct detection and indirect detection experiments; this work shows that the interplay between techniques is a decisive tool to thoroughly search for theoretical predictions. The latter is a non-standard candidate as light as 1 MeV which could be copiously produced at the Large Hadron Collider, and at the same time explain other phenomena such as neutrino masses and/or the 511 keV line from the galactic center of the Milky Way.