Le Silicon Strip Detector (SSD) est la quatrième couche de détecteur en silicium à micropistes double face de l'expérience STAR installée auprès du RHIC et complète le système de trajectographie interne. L'objectif de STAR consiste en l'étude de collisions d'ions lourds visant à mettre en évidence la formation d'un état déconfiné de la matière nucléaire, le Plasma de Quarks et de Gluons.<br />Une augmentation de la production de particules étranges, comme les particules K0-shorts, Λ, Ξ, Ω décroissant après le vertex primaire d'interaction en particules secondaires a été prédite comme signature de l'existence de cet état. La reconstruction précise de ces particules est alors nécessaire. Le SSD sera aussi important dans le cadre de la mesure de particules charmées via une identification directe topologique de la décroissance de ces particules. <br />Il a été conçu pour augmenter les capacités de trajectographie de STAR en permettant une meilleure connexion des traces reconstruites avec le <br />détecteur principal (TPC) et le détecteur de vertex interne (SVT).<br />Dans cette thèse, nous quantifierons l'apport du SSD à travers les collisions Cuivre Cuivre ayant eu lieu au RHIC en 2005.<br />L'étude des données simulées fournira aussi une comparaison nécessaire pour la compréhension des résultats.

La hadronthérapie est une méthode de radiothérapie utilisant des ions (ici le carbone) comme faisceau plutôt que des rayons X plus conventionnels pour le traitement des cancers. Étant donné le parcours spécifique des ions dans la matière, ils permettent de traiter des tumeurs profondes dans des zones délicates telles que le cerveau par exemple. Ceci est complémentaire à tout ce qui existe depuis des dizaines d’années (intervention chirurgicale, rayons X, chimiothérapie). Deux futurs centres de traitement et de recherche (ARCHADE à Caen et ETOILE à Lyon) seront opérationnels en France à partir de 2018 en ce qui concerne ARCHADE afin de profiter des avancées récentes et de poursuivre les recherches sur cette méthode. La perte d’énergie des ions carbone dans la matière suit la loi de Bethe-Bloch, le maximum de dépôt d’énergie se situant dans une zone restreinte appelée « pic de Bragg ». En modulant la position et l’énergie du faisceau, il est possible d’irradier l’ensemble du volume de la tumeur. Cependant, les réactions nucléaires de l’ion carbone dans les tissus entrainent la production de fragments plus légers (H, He, Li etc.) qui déposent leur énergie au-delà du pic de Bragg. Les modèles implémentés dans les codes de simulation couramment utilisés en hadronthérapie (FLUKA, GEANT4 etc.) sont incapables de reproduire en même temps les distributions angulaires des fragments générés ainsi que les distributions en énergie. Le fait de ne pas reproduire fidèlement ce phénomène de fragmentation nuit à la précision des systèmes de planification de traitement utilisés cliniquement. En effet, une mauvaise estimation du processus de fragmentation entraine un biais dans le calcul de la dose déposée dans les cellules saines en arrière du pic de Bragg. Ainsi, afin de mieux contraindre les modèles, deux expériences de mesure de sections efficaces de fragmentation du carbone ont été menées. La première en mai 2011 avec un faisceau à 95MeV/n au GANIL à CAEN avec les collaborateurs du LPC Caen et la seconde en août 2011 avec un faisceau à 400 MeV/n au GSI à Darmstadt, avec la collaboration FIRST. L’expérience E600 étudie la fragmentation des ions du faisceau de carbone à 95 MeV/n dans différentes cibles minces (Au, C, , Ti etc.) correspondant aux différents constituants élémentaires du corps humain. Les différents fragments sont détectés à l’aide de cinq télescopes. Chacun d’eux est constitué de 3 étages (2 détecteurs silicium et un scintillateur CsI) afin de faire des mesures de perte d’énergie et d’énergie totale permettant une identification par la méthode du ΔE-E. Ces télescopes étaient disposés sur des raquettes pilotées à distance afin de pouvoir modifier leur position angulaire par rapport à la position de la cible. Ainsi, les taux de production des différents fragments permettent de remonter aux sections efficaces de fragmentation doublement différentielles (en énergie et en angle). [...] / The hadrontherapy is a radiotherapy method using ions (carbon ions here) instead of the more conventional X-rays for cancer treatment. Deep radioresistant tumour areas, as brain carcinoma for example, can be treated thanks to the specific dosedeposition at the end of the ion path. This is an additional method to older classic ones (surgery, X-rays, chemotherapy). Two hadrontherapy centres for treatment and research are planned in France from 2018 (ARCHADE) in order to benefit from the newest progress and to keep improving this method. Carbon ions energy loss in the matter follows the Bethe-Bloch law. The maximum of energy depth is located in a limited area called “Bragg peak”. By adjusting the beam position and energy, the whole volume of the tumor can be irradiated. Nevertheless, nuclear reactions of carbon ion in tissues generate the production of lighter fragments (H, He, Li etc.) that deposit their energy beyond the Bragg peak. Models implemented in hadrontherapy simulation codes (FLUKA, GEANT4 etc.) cannot reproduce angular distributions of the lighter fragments and energy distributions at the same time. These poor estimations affect the treatment planning systems accuracy that are clinically used.Indeed, a bad estimation of fragmentation process induces a bias in the dose calculation concerning healthy cells beyond the Bragg peak. In order to better constraint models, two experiments based on fragmentation cross-sections measurements have been performed. The first one in may 2011 with a beam at 95 MeV/u (GANIL) in collaboration with the LPC Caen and the second one in august 2011 with a beam at 400 MeV/u (GSI) with the FIRST collaboration. E600 experiment is devoted to the study of carbon ions fragmentation at 95 MeV/u in several thin targets (Au, C, , Ti etc.) corresponding to the basic building blocks of human body. Five telescopes are designed for the fragments detection. Each one is a three-stage detector (2 silicon detectors and one CsI scintillator) that allows energy loss and total energy measurements for the ΔE-E identification method.Telescopes were disposed two by two in the reaction chamber with a remote control of the angular position. From the production rate measurements, the double differential fragmentation cross-sections (energy and angle) can be computed.From the experimental data for + reaction at 95 MeV/u on a 250 μm thick carbon target, all cross-sections were deduced.FIRST experiment uses a very different set-up. It is composed of: a beam monitoring, a vertex detector (CMOS), a calorimeter(KENTROS), a magnet (ALADIN), MUSIC (3 ionization chambers and 4 proportional counters) and a TOF-wall. Generated particles trajectory is reconstructed thanks to the vertex detector + TOF-wall for all fragments emitted with an angle lower than 5° and thanks to the vertex detector + KENTROS for higher angles. In the first case, the ALADIN magnet deflects the trajectory of the particles (MUSIC detector ran out). One 8 mm thick target has been used here. Preliminary results concerning production rates of the different charges, angular distributions and reconstruction efficiencies have been obtained. Heavier fragments mass identification is quite difficult because of the non-working MUSIC detector; it degrades the fragments momentumaccuracy.[...]

Le travail de thèse a consisté, en priorité, à s'approprier les technologies d'intégration verticale en usage dans l'industrie pour réaliser des mémoires à plusieurs étages, et à en évaluer l'apport pour les capteurs à pixel CMOS (CPS). Cette approche s'appuie sur la capacité de l'industrie à interconnecter des puces amincies empilées les unes sur les autres. Elle ouvre la perspective d'associer plusieurs microcircuits superposés à un même pixel, en dépits de sa taille réduite. L'interconnexion est donc réalisée au niveau du pixel. Ce saut technologique permet de lever la majorité des obstacles à l'obtention de performances optimales des CPS. On peut en particulier combiner des puces réalisées dans des technologies CMOS très différentes, chacune optimale pour une fonctionnalité précise. La collection des charges du signal peut ainsi être réalisée dans une couche dédiée, les microcircuits de conditionnement analogique des signaux peuvent être concentrés dans une autre couche, une troisième couche pouvant héberger les parties numériques assurant la compression puis la transmission des signaux, etc. Ce progrès se traduit notamment par la possibilité de combiner haute résolution spatiale et lecture rapide, avec une amélioration probable de la tolérance aux rayonnements intenses.On s'affranchit de cette manière des limitations provenant des paramètres de fabrication des fondeurs, qui ne permettent pas à l'heure actuelle, de pleinement exploiter le potentiel des CPS à l'aide d'une technologie CMOS unique.

Cette thèse est une contribution au document intitulé "Detector Baseline Document (DBD)" décrivant le conceptde détecteur ILD envisagé auprès du collisionneur linéaire international électron-positon ILC (acronyme del'anglais International Linear Collider).Les objectifs de physique de l'ILD nécessitent un détecteur de vertex (VXD) particulièrement léger, rapide et trèsgranulaire permettant d'atteindre une résolution sans précédent sur le paramètre d'impact des trajectoiresreconstruites des particules produites dans les interactions étudiées. Le principal objectif de cette thèse est demontrer comment optimiser les paramètres du VXD dans le cas ou il est composé de Capteurs à Pixels Actifsfabriqués en technologie industrielle CMOS (CAPS). Ce travail a été réalisé en étudiant la sensibilité desperformances d'étiquetage des saveurs lourdes et de la précision sur les rapports d'embranchement hadroniquedu boson de Higgs aux différents paramètres du VXD.Le cahier des charges du VXD, particulièrement ambitieux, a nécessité le développement d'une nouvelletechnologie de capteurs de pixels de silicium, les CAPS, dont le groupe PICSEL de l'IPHC est à l'origine. Lavitesse de lecture et l'influence des paramètres qui régissent la fabrication des capteurs en fonderie ont étéétudiées dans cette thèse, et des prototypesde CAPS ont été caractérisés sur faisceau de particules. Enfin, les performances de trajectométrie d'un VXDcomposé de CAPS a été évalué avec des études de simulation. / This thesis is a contribution to the " Detector Baseline Document ", describing the ILD detector which is intendedfor the International Linear Collider (ILC).The physics goals of the ILD call for a vertex detector (VXD) particularly light, rapid and very granular allowing toreach an unprecedented resolution on the impact parameter of the tracks that reconstruct the particles producedin the studied interactions. The principle goal of this thesis is to show how to optimise the parameters of the VXDin the case that is composed of Active Pixel Sensors manufactured in industrial CMOS technology (CAPS). Thiswork has been realised by studying the sensitivity of the performance of the heavy flavour tagging and theprecision on the hadronic branching fractions of the Higgs boson as a function of different sets of VXDparameters.The specifications of the VXD, particularly ambitious, call for the development of a novel silicon pixel sensorstechnology, the CAPS, which was pioneered by the PICSEL group of IPHC. The readout speed and the influenceof the fabrication parameters have been studied in this thesis, and CAPS prototypes have been characterised intest beams. Finally, the tracking performance of a CAPS based VXD has been evaluated with simulation studies.

CBM, une des expériences majeures du nouvel accélérateur FAIR en cours de construction au GSI (Darmstadt), a pour objectif d'explorer le diagramme des phases de la matière nucléaire dans la région des hautes densités baryoniques nettes. Un de ses principaux thèmes de physique est l'étude de la production des particules à charme ouvert dans les collisions d'ions lourds. La mesure directe de ces particules nécessite l'utilisation d'un détecteur de vertex très précis. La présente thèse est une contribution à la conception et au développement de ce détecteur, appelé MVD. Une première partie de la thèse concerne l'évaluation, à l'aide de simulations réalistes, des flots de données à transmettre par les capteurs qui équiperont la première génération du MVD. Les résultats obtenus montrent que les performances attendues des capteurs permettront de mener à bien le programme de physique de CBM. Une deuxième partie porte sur les performances attendues pour la reconstruction des particules à charme ouvert, à travers leur désintégration hadronique, dans les collisions Au+Au. Des simulations détaillées ont permis de démontrer que la reconstruction du méson D+ → π+ π+ K-, par exemple, est faisable avec une efficacité de reconstruction de 2% et un rapport signal/bruit de 1.5. La statistique attendue en deux mois de prises de données a été évaluée à environ 6.9 x 104 mésons D. Dans la dernière partie, il a été montré que cette statistique permettrait d'effectuer des études détaillées du flot elliptique intégré des mésons D. La mesure du flot elliptique différentiel de ces particules requerrait, cependant, des statistiques plus élevées, et donc l'utilisation de capteurs plus performants.

La hadronthérapie est une méthode de radiothérapie utilisant des ions (ici le carbone) comme faisceau plutôt que des rayons X plus conventionnels pour le traitement des cancers. Étant donné le parcours spécifique des ions dans la matière, ils permettent de traiter des tumeurs profondes dans des zones délicates telles que le cerveau par exemple. Ceci est complémentaire à tout ce qui existe depuis des dizaines d'années (intervention chirurgicale, rayons X, chimiothérapie). Deux futurs centres de traitement et de recherche (ARCHADE à Caen et ETOILE à Lyon) seront opérationnels en France à partir de 2018 en ce qui concerne ARCHADE afin de profiter des avancées récentes et de poursuivre les recherches sur cette méthode. La perte d'énergie des ions carbone dans la matière suit la loi de Bethe-Bloch, le maximum de dépôt d'énergie se situant dans une zone restreinte appelée " pic de Bragg ". En modulant la position et l'énergie du faisceau, il est possible d'irradier l'ensemble du volume de la tumeur. Cependant, les réactions nucléaires de l'ion carbone dans les tissus entrainent la production de fragments plus légers (H, He, Li etc.) qui déposent leur énergie au-delà du pic de Bragg. Les modèles implémentés dans les codes de simulation couramment utilisés en hadronthérapie (FLUKA, GEANT4 etc.) sont incapables de reproduire en même temps les distributions angulaires des fragments générés ainsi que les distributions en énergie. Le fait de ne pas reproduire fidèlement ce phénomène de fragmentation nuit à la précision des systèmes de planification de traitement utilisés cliniquement. En effet, une mauvaise estimation du processus de fragmentation entraine un biais dans le calcul de la dose déposée dans les cellules saines en arrière du pic de Bragg. Ainsi, afin de mieux contraindre les modèles, deux expériences de mesure de sections efficaces de fragmentation du carbone ont été menées. La première en mai 2011 avec un faisceau à 95MeV/n au GANIL à CAEN avec les collaborateurs du LPC Caen et la seconde en août 2011 avec un faisceau à 400 MeV/n au GSI à Darmstadt, avec la collaboration FIRST. L'expérience E600 étudie la fragmentation des ions du faisceau de carbone à 95 MeV/n dans différentes cibles minces (Au, C, , Ti etc.) correspondant aux différents constituants élémentaires du corps humain. Les différents fragments sont détectés à l'aide de cinq télescopes. Chacun d'eux est constitué de 3 étages (2 détecteurs silicium et un scintillateur CsI) afin de faire des mesures de perte d'énergie et d'énergie totale permettant une identification par la méthode du ΔE-E. Ces télescopes étaient disposés sur des raquettes pilotées à distance afin de pouvoir modifier leur position angulaire par rapport à la position de la cible. Ainsi, les taux de production des différents fragments permettent de remonter aux sections efficaces de fragmentation doublement différentielles (en énergie et en angle). [...]

Le travail de thèse a consisté, en priorité, à s’approprier les technologies d’intégration verticale en usage dans l’industrie pour réaliser des mémoires à plusieurs étages, et à en évaluer l’apport pour les capteurs à pixel CMOS (CPS). Cette approche s’appuie sur la capacité de l’industrie à interconnecter des puces amincies empilées les unes sur les autres. Elle ouvre la perspective d’associer plusieurs microcircuits superposés à un même pixel, en dépits de sa taille réduite. L’interconnexion est donc réalisée au niveau du pixel. Ce saut technologique permet de lever la majorité des obstacles à l’obtention de performances optimales des CPS. On peut en particulier combiner des puces réalisées dans des technologies CMOS très différentes, chacune optimale pour une fonctionnalité précise. La collection des charges du signal peut ainsi être réalisée dans une couche dédiée, les microcircuits de conditionnement analogique des signaux peuvent être concentrés dans une autre couche, une troisième couche pouvant héberger les parties numériques assurant la compression puis la transmission des signaux, etc. Ce progrès se traduit notamment par la possibilité de combiner haute résolution spatiale et lecture rapide, avec une amélioration probable de la tolérance aux rayonnements intenses.On s’affranchit de cette manière des limitations provenant des paramètres de fabrication des fondeurs, qui ne permettent pas à l’heure actuelle, de pleinement exploiter le potentiel des CPS à l’aide d’une technologie CMOS unique. / The thesis has been a priority as taking ownership of vertical integration technologies used in the industry to realize a multistage development, and to evaluate the contributions on CMOS pixel sensors (CPS). 3D integration technologies (3DIT) provide a way to mitigate this hampering correlation between speed and resolution, since they allow to staple layers of readout circuitry on top of the sensing layer, which results in a drastic increase of the functionalities located in (the shadow of) each pixel. A multi-layer structure allows for a higher spatial resolution because more and more transistors may be integrated vertically in a relatively small pixel. Moreover, bringing the components of the sensor closer to each other translates in a faster readout, owing to the reduction in the average length of the inner connecting wires. Vertical integration also opens up the possibility of combining different technologies best suited to each of the sensor main functionalities (signal sensing, analog and digital signal processing and transmission). It overcomes the limitations in this way from the foundry manufacturing parameters, which do not allow to fully exploit the potential ofCPS with a single CMOS technology. 3D-CPS are thus expected to overcome most of the limitations of standard 2DCPS, and are therefore suspected to over new perspectives for the innermost layer of the ILC vertex detector.

Le projet PLUME développe des échelles ultra-légères inspirées par le cahier des charges du détecteur de vertex pour le futur e+e- International Linear Collider (ILC). Nos travaux montrent que, pour une énergie de 350 GeV et une luminosité de 250 fb-1, l’ILC donnera accès à des états finals comme Hνν. Les modules PLUME exploitent le concept d’échelles double-face recouvertes de capteurs CMOS afin d’atteindre un budget de matière de 0,35 % en longueurs de radiation. Les tests effectués ont montré que les performances électriques des 12 capteurs intégrés sur ces échelles ne sont pas dégradées. La surface des échelles présente des déformations, mais nous avons mis au point un algorithme spécifique qui permet de corriger leurs effets lors du traitement des données. Finalement, une mesure de la longueur de radiation d’un prototype moins avancé a été réalisée avec un faisceau test au DESY. La valeur obtenue de 0,47±0,02 % en longueurs de radiation correspond au budget attendu. / The PLUME project develops ultra-light pixelated layers with specifications driven by the design of a vertex detector at the future e+e- International Linear Collider (ILC). The ILC will give access to final states like Hνν, as this work demonstrates for centre-of-mass energy 350GeV and a luminosity of 250 fb-1. PLUME devices exploit the concept of double-sided ladder spaved with thinned CMOS pixel sensors in order to reach a material budget of 0.35 % of radiation length. The present study validated that simultaneous operation of the 12 CMOS sensors integrated on such light ladders do not impact their electrical behaviour. Surface deformations were observed but a specific algorithm during the off- line analysis was proposed and successfully tested to preserve the native sensor spatial resolution. Finally, a measurement of the material budget of a less advanced ladder prototype has been performedat DESY test beam and yield 0.47±0.02 % of radiation length, matching the expected value.

CBM, une des expériences majeures du nouvel accélérateur FAIR en cours de construction au GSI (Darmstadt), a pour objectif d'explorer le diagramme des phases de la matière nucléaire dans la région des hautes densités baryoniques nettes. Un de ses principaux thèmes de physique est l'étude de la production des particules à charme ouvert dans les collisions d'ions lourds. La mesure directe de ces particules nécessite l’utilisation d’un détecteur de vertex très précis. La présente thèse est une contribution à la conception et au développement de ce détecteur, appelé MVD. Une première partie de la thèse concerne l’évaluation, à l’aide de simulations réalistes, des flots de données à transmettre par les capteurs qui équiperont la première génération du MVD. Les résultats obtenus montrent que les performances attendues des capteurs permettront de mener à bien le programme de physique de CBM. Une deuxième partie porte sur les performances attendues pour la reconstruction des particules à charme ouvert, à travers leur désintégration hadronique, dans les collisions Au+Au. Des simulations détaillées ont permis de démontrer que la reconstruction du méson D+ → π+ π+ K-, par exemple, est faisable avec une efficacité de reconstruction de 2% et un rapport signal/bruit de 1.5. La statistique attendue en deux mois de prises de données a été évaluée à environ 6.9 x 104 mésons D. Dans la dernière partie, il a été montré que cette statistique permettrait d’effectuer des études détaillées du flot elliptique intégré des mésons D. La mesure du flot elliptique différentiel de ces particules requerrait, cependant, des statistiques plus élevées, et donc l’utilisation de capteurs plus performants. / CBM, one of the main experiments of the new FAIR accelerator under construction at GSI (Darmstadt), aims at exploring the phase diagram of nuclear matter in the region of high net baryonic densities. The study of the production of open charm particles in heavy ion collisions is one of its main physics topics. The direct measurement of these particles requires the use of a very precise vertex detector. The present thesis is a contribution to the design and development of this detector called MVD (Micro Vertex Detector). A first part of the thesis concerns the assessment, by means of realistic simulations, of the data rate requirements for the sensors which will equip the first MVD generation. The results demonstrate that the expected performance of the sensors will allow CBM carrying out its physics program. A second part deals with the expected performance for the reconstruction of open charm particles, through their hadronic decay, in Au+Au collisions. Detailed simulations allowed demonstrating that the reconstruction of the D+ meson decaying into π+ π+ K-, for instance, is feasible with a reconstruction efficiency of 2% and a signal/background ratio of 1.5. The statistics expected after two months of data taking has been evaluated to about 6.9 x 104 D-mesons. In the last part, it has been established that this statistics would enable to carry out detailed studies of the integrated elliptic flow of D-mesons. The measurement of the differential elliptic flow of these particles would require, however, higher statistics, and hence the use of more performing sensors.

Ce travail se place dans le contexte du détecteur de vertex (VXD) composé de capteurs CMOS pour l'ILC, et dans celui du télescope en faisceau du projet européen AIDA. La thèse inclut les tests en faisceau des éléments du télescope AIDA : les super-plans SALAT et les échelles double faces PLUME. Elle questionne la valeur ajoutée en terme d'alignement, des couches double faces de capteurs CMOS pour le VXD de l'ILD. Une nouvelle méthode d'alignement autonome de chacune des 3 double couches du VXD grâce aux mini-vecteurs construits sur chaque zone de recouvrement inter-échelle est proposée et a été testée avec des particules de haute impulsion. Cependant, seules les particules du bruit de fond faisceau, de plus basses impulsions, permettent l'obtention d'une statistique suffisante pour cet alignement. Ce bruit de fond a alors été étudié et une estimation des taux d'occupation des capteurs du VXD a conduit à une ré-estimation des vitesses de lecture des capteurs de chaque couche du VXD. / This work was conducted in the context of a vertex detector (VXD) composed of CMOS sensors for ILD and in the context of the beam telescope of the european project AIDA. The provides the results of beam tests for the new telescope components : the SALAT super-planes and the PLUME double sided ladders. The thesis adresses the added value in terms of alignment, of double sided layers of CMOS sensors for the VXD of ILD. A new standalone alignment method of each of the three double sided layers of VXD with the mini-vectors built on each overlapping zone between the consecutive ladders is analysed. Such alignment was validated with high momentum particles. However, only the beam background particles, with lower momentum, can provide the minimum statistic for this kind of alignment. Thus, the beam background noise was studied and the occupancy rate of the VXD sensors was studied. This led to a reassessment of the readout speed for the sensors of each layer of the VXD.