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.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les observations des neutrinos atmosphériques dans les détecteurs Kamiokande (Japon) et Irvine-Michigan-Brookhaven (1MB, Etats-Unis) font preuve d'une anomalie dans le rapport v^/Ve- Le phénomène d'osciUations de neutrinos v^-^Vx est une explication possible de cette anomalie. Le projet d'expérience E889 à l'AGS de Brookhaven avait pour objet la recherche des oscillations de neutrinos à longue distance en utilisant un faisceau de neutrinos muoniques ayant une énergie moyenne Ey ^ l GeV. <J La masse des neutrinos et le mélange entre les saveurs sont les deux caractéristiques qui définissent les oscillations entre saveurs de neutrinos. L'observation des oscillations aurait d'importantes conséquences en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie. Dans la proposition de l'expérience E889, quatre énormes détecteurs Cerenkov à eau sont utilisés pour observer le faisceau de neutrinos, jusqu'à une distance de 68 km. Pour comprendre le signal Cerenkov produit par des particules chargées dans ces détecteurs, une étude par simulation Monte-Carlo de l'éinission Cerenkov par des inuons, électrons et des rayons gamina est présentée. Cette étude identifie quelques différences significatives entre la distribution de l'éimssion Cerenkov de ces particules. On peut envisager la possibilité de discriminer entre les gerbes électromagnétiques induites par un électron ou par un rayon gamma: la predominance de la production de paires (7-«-e+e-) par les rayons gamma de haute énergie (E^ ^ 25 MeV) conduit à une intensité de lumière Cerenkov plus élevée pendant les premières longueurs de radiation. Deux geometries pour les détecteurs sont étudiées: la première ayant 3562 phototubes de 8 pouces de diamètre par détecteur, et la deiixièine ayant 946 phototubes de 20 pouces de diamètre (configuration similaire au détecteur Kamiokande). Quant à la reconstruction des particules (vertex de l'interaction, impulsions des particules secondaires et identification des particules), les deux géoinétries ont une perforinance similaire. IV Les interactions à courant neutre (CN) peuvent servir à la norinalisation du flux total de neutrinos. La production de pions neutres par une interaction neutrino-nucléon à courant neutre fournit un signal clair dans un détecteur ôerenkov à eau, grâce aux deiix anneaux provenant des gerbes électromagnétiques dans la désintégration 7r°-^77. Une analyse d'événements CN(7r°) est présentée qui tient compte de plusieurs sources de contamination venant d autres types d'interactions produisant égaleinent deux anneaux. Cette analyse démontre que ce mode est clairement identifiable, et peut être utilisé pour la normalisation du taux d événements quasi-élastiques v^n-^p,~p, ou comme signal de disparition dans le cas des oscillations vers un état stérile v^-^v,. Dans le cas des osciUations v^,-^Ve,ri la sensibilité est assez bonne pour couvrir entièrement la portion du plan (Am2,sin 28) qui correspond à l'anomalie atmosphérique. La sensibilité est moins bonne pour les oscillations v^^-v,, et une prise de données plus longué que prévue serait nécessaire pour augmenter le nombre d'événements CN(7T°) observes.