Le sujet de cette thèse est la mise en œuvre d'un dispositif de mise en forme de faisceaux utilisé pour la mesure du paramètre de corrélation angulaire dans la désintégration d'ions Helium6 piégés dans un piège de Paul. Le principe de cette mesure consiste à détecter en coïncidence l'électron et l'ion de recul émis afin de reconstruire la cinématique complète de chaque évènement et ceci dans de très bonnes conditions. En effet, le dispositif expérimental permet d'étudier les ions alors qu'ils sont pratiquement au repos et confinés dans un petit volume de l'espace. Le paramètre de corrélation angulaire beta - neutrino est déduit des spectres en coïncidence et permet de tester la structure V-A de l'interaction faible. Le travail présenté ici concerne principalement la caractérisation du dispositif de mise en forme de faisceaux : le quadripôle radiofréquence à gaz tampon. Les ions perdent de l'énergie par collisions élastiques sur les atomes du gaz alors qu'un champ électrique radiofréquence permet de les confiner. Les tests effectués avec des ions stables montrent d'une part un très bon accord avec les simulations et d'autre part permettent de confirmer que le dispositif répond bien au cahier des charges. Dans un deuxième temps, les ions ainsi refroidis sont piégés au sein du piège de Paul de mesure et ceci avec une efficacité de l'ordre de 20 %. Les caractéristiques du dispositif de détection que nous avons obtenues (efficacités et résolutions) nous ont permis d'estimer la statistique nécessaire pour atteindre la précision souhaitée sur le paramètre de corrélation angulaire.

Il y a 75 ans, Ettore Majorana montrait que le neutrino, seule particule élémentaire de matière de charge électrique nulle, pouvait théoriquement être identique a son antiparticule. Si tel est le cas, alors un phénomène naturel nouveau devrait apparaître pour quelques rares isotopes : leur double désintégration beta sans émission de neutrino (0). La signature expérimentale de ce processus est simple : l'observation de deux électrons émis par le noyau dont la somme de leur énergie correspond a l'énergie de transition. Mais ce processus, s'il existe, est infiniment rare. La principale difficulté dans cette recherche est donc instrumentale : réussir à développer un détecteur ultra basse radioactivité, sans aucun bruit de fond. J'ai choisi comme première partie de mon HDR, d'écrire une revue expérimentale relativement détaillée des différents projets, mon souhait étant de montrer pour chaque expérience, ses avantages et limitations en mettant l'accent sur les techniques utilisées pour supprimer les bruits de fond. Ayant été très impliqué dans l'expérience NEMO-3, et travaillant maintenant dans le nouveau projet SuperNEMO, j'ai davantage détaillé ces deux expériences. J'ai également détaillé les projets de bolomètres scintillants. C'est en effet une technique que j'avais particulièrement étudiée ces dernières années car elle me semble être très prometteuse. Le dernier chapitre de cette première partie est un résumé permettant au lecteur qui le souhaite une revue plus rapide des différents projets actuels. Depuis 5 ans, je développe un détecteur basse radioactivité, appelé BiPo, dont l'objectif est de mesurer la radiopureté en 238U et 232Th des futures feuilles sources émettrices double beta qui seront installées dans le détecteur SuperNEMO. J'ai donc choisi comme deuxième partie de mon HDR, de présenter ce détecteur et de résumer les différents résultats obtenus.

Le sujet de ce cette thèse est la mise en oeuvre d'un dispositif expérimental permettant<br />la mesure des paramètres R et N dans la désintégration du neutron polarisé, ainsi que<br />l'analyse des données récoltées. Quatre observables sont nécessaires à cette mesure : la<br />polarisation des neutrons, l'impulsion des électrons et les deux composantes transversales<br />de la polarisation des électrons. Ces deux dernières observables sont mesurées au moyen<br />d'un polarimètre de Mott. Les mêmes détecteurs permettent également de déterminer<br />les autres observables. La précision recherchée sur le paramètre R est de 0,5%. Une<br />valeur non nulle serait la marque d'une violation de la symétrie sous le renversement du<br />temps, non prévue par le Modèle Standard. Ce document décrit dans un premier temps le<br />travail effectué pour préparer et optimiser le dispositif expérimental avant la campagne de<br />mesure qui s'est déroulée à l'été 2004. En particulier, un effort important a été fourni pour<br />améliorer le fonctionnement des murs de scintillateurs utilisés à la fois pour déclencher<br />l'acquisition et pour mesurer l'énergie des électrons. La deuxième partie concerne la mise<br />au point d'une méthode d'extraction des paramètres R et N à partir des données récoltées,<br />et l'étude de l'origine du bruit de fond mesuré simultanément

L'observation de la désintégration double bêta sans émission de neutrino (0ν2β) fournirait des informations essentielles sur la nature du neutrino et son échelle de masse absolue. Ce processus consiste en la transformation simultanée de deux protons en deux neutrons avec l'émission de deux électrons et aucun neutrino. Cette transition n'est possible que si les neutrinos sont égaux aux antineutrinos (nature Majorana du neutrino). Les recherches pour une désintégration à ce point rare représentent un défi technique complexe, car les expériences de prochaine génération visent des sensibilités de l'ordre de 10^27-10^28 ans afin d'avoir un potentiel de découverte élevé. Cette thèse est focalisée sur les projets LUMINEU et CUPID-Mo, développant la technique des bolomètres scintillants pour la recherche de désintégration 0ν2β avec le radio-isotope 100Mo.Les bolomètres sont des détecteurs cryogéniques mesurant l'énergie des particules déposées via un changement de température dans l'absorbeur. Si des cristaux scintillants sont utilisés comme absorbeurs, les signaux lumineux peuvent être enregistrés avec un bolomètre auxiliaire, sensible à l'énergie totale déposée par les photons de scintillation. Une telle configuration permet de séparer les particules α des γ/β, en rejetant le fond le plus difficile. La technologie des bolomètres scintillants est décrite en détail comme une option pour une future expérience cryogénique à l'échelle d'une tonne, appelée CUPID, qui peut couvrir complètement la région de masses de neutrinos dans la hiérarchie inversée. / Neutrinoless double beta (0ν2β) decay is a process of great interest for neutrino physics: its observation would provide essential information on neutrino nature and its absolute mass scale. This process consists of the simultaneous transformation of two protons into two neutrons with the emission of two electrons and no neutrino, implying the violation of the total lepton number. Such transition is possible only if neutrinos are equal to antineutrinos (Majorana particles). The searches for such a rare decay are becoming a complicated technical challenge, as next generation of 0ν2β experiments aim at sensitivities of the order of half-life at 10^27-10^28 yr. This thesis is focused on LUMINEU and CUPID-Mo projects, developing the scintillating bolometers technique for 0ν2β decay search with 100Mo with Li2MoO4 crystals. Bolometers are cryogenic detectors measuring the deposited particle energy as a change of temperature in the absorber. The use of scintillating crystals allows to perform discrimination of α particles from γ/β ones due to different light output of these two particle types, rejecting the most challenging background. The scintillating bolometers technology is described in details as an option for a future ton-scale cryogenic experiment, named CUPID, which can completely cover the inverted hierarchy region of neutrino masses.

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.