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L'étude des rayons cosmiques de ultra haute énergie, particules dont la nature et l'origine reste encore aujourd'hui inconnue, s'effectue par la mesure de cascade de particule appelée gerbes cosmiques créées lors de leur interaction avec l'atmosphère terrestre. Deux techniques permettent de détecter et de caractériser ces gerbes : la détection au sol par réseaux de détecteurs de particules et la détection de la lumière de fluorescence émise par la gerbe. Idée datant des années 1960, la radiodétection de gerbes cosmiques par la mesure du champ électrique induit par les particules chargées de la cascade fut à l'époque abandonnée à cause de difficultés techniques. Créée en 2002, l'expérience CODALEMA a dans sa première configuration permis de prouver la faisabilité et l'intérêt de la radiodétection pour l'étude des rayons cosmiques. L'expérience a depuis subi une évolution majeure en remplaçant les antennes logpériodiques par des dipôles actifs dédiés à la radiodétection et en installant un trigger réalisé par un réseau de 17 scintillateurs capables de fournir une estimation de l'énergie des particules primaires. L'objectif de CODALEMA est de caractériser le signal électrique induit par une gerbe cosmique en fonction des paramètres physiques de la gerbe. Cette thèse présente, entre autre, les distributions angulaires des directions d'arrivées des gerbes mesurées par CODALEMA. Elles permettent pour la première fois de prouver l'origine géomagnétique du champ électrique induit par une gerbe. Les distributions latérales de champ électrique induit, ainsi que la corrélation entre l'énergie du primaire et l'amplitude du signal électrique sont également présentées.

Ce mémoire de thèse est réalisé dans le cadre du Projet International Linear Collider. Il porte sur l'étude d'un prototype de calorimètre électromagnétique auprès de la collaboration internationale CALICE. Le prototype a été soumis à plusieurs reprises à des faisceaux test au CERN, à DESY et à FNAL. L'auteur présente deux sujets d'études: une partie d'instrumentation concernant la résolution d'un problème des événements carrés découvert lors des prises des données en 2006 au CERN. Afin d'en expliquer l'origine et résoudre le problème dû à une phénomène de diaphonie entre les pixels périphériques et le guard ring qui entoure le capteur, deux études ont été faites: une étude de simulation en utilisant SILVACO et l'autre avec un banc test pour étudier plusieurs types de capteurs. La deuxième partie de cette thèse est une étude physique concernant l'identification des photons (électrons) en utilisant des estimateurs qui sont liés aux paramètres de la forme de la gerbe électromagnétique. Des données Monte Carlo ont été utilisés pour élaborer ces estimateurs, ensuite les utiliser pour des données réelles.

Étudiée pour la première fois dans les années 60, la technique de radiodétection des gerbes atmosphériques montra des résultats prometteurs mais limités par les capacités techniques de l'époque. H.R.Allan synthétisa alors l'ensemble des connaissances dans une revue extensive dont les conclusions et les prédictions font encore référence aujourd'hui. L'expérience CODALEMA a été conçue en 2001 à l'observatoire de Nançay, d'abord comme un démonstrateur de la faisabilité de la technique de radiodétection des rayons cosmiques. Modifiée en profondeur en 2005, elle a permis de mettre en place une première corrélation en énergie et de prouver sans ambiguïté la prépondérance du champ magnétique terrestre dans l'émission radio de la gerbe. Le passage à de grandes surfaces de détection est la prochaine étape du développement de la technique. L'autonomie des détecteurs devient alors un élément crucial. Précédée de prototypes de tests installés en 2006 au sein de l'observatoire Pierre Auger, une nouvelle génération de détecteurs a depuis été développée et ses résultats sont détaillés. Cette thèse traite également des différentes problématiques liées à la technique de radiodétection : réponse d'antenne, sensibilité, impact de l'environnement, surveillance d'une expérience à grande échelle. La détermination, indépendamment d'un autre détecteur, des caractéristiques de la gerbe est discutée notamment la distribution latérale, la corrélation en énergie et la composition en fréquence du signal radio.

Le projet EUSO (Extreme Universe Space Observatory) est basé sur un concept novateur pour mesurer le flux de RCUE (Rayon Cosmique Ultra Energétique) en observant depuis l'espace la lumière (fluorescence de l'air et rayonnement Cerenkov) produite par les gerbes atmosphériques. <br />Après une vue générale du contexte scientifique et une description du projet EUSO, une méthode de reconstruction des gerbes vues depuis l'espace est présentée. Cette méthode originale permet de reconstruire les caractéristiques d'un RCUE en utilisant uniquement la forme du signal de fluorescence produit par la gerbe au cour de temps (sans autre source d'information). Cette méthode a des résultats particulièrement intéressants pour les gerbes horizontales.<br />La deuxième partie de cette thèse concerne l'étude et la mesure de la fluorescence de l'air grâce à l'expérience MACFLY (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). Après un état de l'art de nos connaissances dans le domaine, un modèle de FLY (quantité de lumière produite par fluorescence) proportionnelle à l'énergie déposée dans l'air est proposé. Ensuite l'expérience MACFLY et la méthode d'analyse des données utilisée sont décrites en détail. L'expérience est composé de deux dispositifs. Le premier (Macfly1) qui mesure la fluorescence produite par une seule particule a mesuré la FLY d'électron de 1,5 MeV (source radioactive), 20 GeV et 50 GeV (faisceau test du CERN). Le deuxième (Macfly2) qui mesure la fluorescence produite par une gerbe électromagnétique, a permis de faire la première mesure mondiale de la dépendance de la FLY avec l'âge de la gerbe. La dépendance en pression a également été mesurée avec les deux dispositifs.<br />Grâce à un programme de simulation GEANT4, nous comparons nos mesures aux modèles de fluorescence. L'hypothèse de la proportionnalité entre la FLY et l'énergie déposée dans l'air a été vérifiée. On trouve le même résultat avec Macfly1 et Macfly2. Dans l'air à 950 hPa, 23°C et 0% d'humidité on obtient :<br />FLY=19 ± 4 photons/MeV

Les collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV au LHC produiront des bosons Z en grande quantité dont la mesure de la section efficace de production constitue un test du Modèle Standard. Après avoir décrit le contexte théorique et procédé à une description du détecteur ATLAS et des outils de simulation et d'analyse, une partie de cette thèse est consacrée à l'exploitation des événements cosmiques enregistrés dans la phase de préparation aux collisions afin de valider la simulation des formes de gerbes électromagnétiques dans un contexte proche de celui des collisions. Une deuxième partie de la thèse s'attache à la description des éléments clefs intervenant dans la mesure de la section efficace. Des critères de sélection utilisant des variables d'isolation, alternatifs à la sélection standard, ont été étudiés et ont mené à l'observation des premiers candidats Z->e+e- dans ATLAS. Enfin, les principales sources d'erreurs systématiques intervenant dans la mesure de section efficace ont été étudiées. Il s'agit des incertitudes liées d'une part à l'efficacité de sélection des électrons et d'autre part à l'efficacité géométrique du détecteur.

En 1998, l'expérience Super-Kamiokande au Japon, utilisant un détecteur Cherenkov à eau, a mesuré un déficit dans le flux des neutrinos atmosphériques $\nu_{\mu}$ sans observer d'excès dans le flux des $\nu_{e}$. Ce phénomène est expliqué en invoquant les oscillations neutrino, mécanisme qui suppose que le neutrino possède une masse non-nulle. En 1999, l'expérience CHOOZ a totalement exclu les oscillations $\nu_{\mu}$$\to$$\nu_{e}$ dans le domaine atmosphérique. L'expérience OPERA propose alors de mettre en évidence les oscillations $\nu_{\mu}$$\to$$\nu_{\tau}$ par apparition du $\nu_{\tau}$ et les oscillations $\nu_{\mu}$$\to$$\nu_{e}$ par apparition des $\nu_{e}$ à partir d'un faisceau presque pur de neutrinos muoniques. Ce faisceau est produit au CERN (faisceau CNGS), en Suisse, puis dirigé sur le détecteur OPERA situé 732 km plus loin sous la montagne du Gran Sasso, en Italie. Le détecteur est composé de plus de 200 000 briques (soit une masse totale de 1800 tonnes) constituées d'une alternance de feuilles d'émulsions nucléaires et de feuilles de plomb. Cette structure modulaire permet de reconstruire avec une haute résolution spatiale ($\delta$$\theta$$\sim$1 mrad et $\delta$r$\sim$1$\mu$m) la topologie en coude créée par le lepton $\tau$ (issu de l'interaction par courant chargé d'un $\nu_{\tau}$ avec un noyau de plomb) et ses produits de désintégration. <br />Le travail de thèse consiste en la caractérisation des électrons pour l'étude des oscillations $\nu_{\mu}$$\to$$\nu_{\tau}$, avec $\tau$$\to$e et les oscillations $\nu_{\mu}$$\to$$\nu_{e}$, le $\nu_{e}$ , interagissant par courant chargé avec un noyau de plomb et produisant un électron. <br />Un algorithme de reconstruction de cascades électromagnétiques se développant dans des émulsions nucléaires a été réalisé. Cet algorithme permet de reproduire les profils transversaux et longitudinaux utiles pour l'évaluation de l'énergie des électrons et leur identification (séparation $\pi$/e) à partir d'un réseau de neurones. La résolution en énergie trouvée vaut $\frac{34.6%}{\sqrt{E(GeV)}}$ et la probabilité d'identification atteint 95$%$. Les premiers résultats semblent indiquer un accord correct entre des données expérimentales issues d'un test en faisceau et des simulations Monte-Carlo.<br />Enfin une étude sur la complémentarité entre les expériences OPERA et T2K a été effectuée pour évaluer leur potentiel de découverte sur le paramètre d'oscillation $\theta_{13}$ et la phase de violation CP $\delta_{CP}$.

Un vaste programme international est en cours pour déterminer les paramètres du phénomène d'oscillation des neutrinos et approfondir la connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (MNSP). Le détecteur OPERA, qui est installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, a pour but principal de mettre en évidence l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos initialement de type muon, produit au CERN (CNGS) 730 km en amont. Il est aussi en mesure de détecter les oscillations des neutrinos muon en neutrinos électron, donnant accès au paramètre de mélange sin(2θ13)2, où θ13 est le dernier angle de la matrice MNSP finalement déterminé en 2012 conjointement par Daya Bay, RENO et Double Chooz. Pour déterminer la présence des ντ dans le faisceau, le détecteur OPERA est composé de cibles calorimétriques utilisant une alternance de plaques de plomb et de films d'émulsion. Ceux-ci permettront de reconstruire les traces des particules chargées résultant des interactions neutrino avec une précision inégalable (de l'ordre du micron). La recherche des événements de signal d'oscillation νµ → νe sera basée sur l'aptitude à identifier les électrons, à rejeter les événements de fond où un π0 est produit et à soustraire le fond dominant intrinsèque provenant du faisceau. Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration de méthodes d'analyse pour améliorer les performances du détecteur OPERA dans la recherche d'oscillations νµ → νe .

Un vaste programme international est en cours pour déterminer les paramètres du phénomène d'oscillation des neutrinos et approfondir la connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (MNSP). Le détecteur OPERA, qui est installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, a pour but principal de mettre en évidence l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos initialement de type muon, produit au CERN (CNGS) 730 km en amont. Il est aussi en mesure de détecter les oscillations des neutrinos muon en neutrinos électron, donnant accès au paramètre de mélange sin(2θ13)2, où θ13 est le dernier angle de la matrice MNSP finalement déterminé en 2012 conjointement par Daya Bay, RENO et Double Chooz. Pour déterminer la présence des ντ dans le faisceau, le détecteur OPERA est composé de cibles calorimétriques utilisant une alternance de plaques de plomb et de films d'émulsion. Ceux-ci permettront de reconstruire les traces des particules chargées résultant des interactions neutrino avec une précision inégalable (de l'ordre du micron). La recherche des événements de signal d'oscillation νµ → νe sera basée sur l'aptitude à identifier les électrons, à rejeter les événements de fond où un π0 est produit et à soustraire le fond dominant intrinsèque provenant du faisceau. Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration de méthodes d'analyse pour améliorer les performances du détecteur OPERA dans la recherche d'oscillations νµ → νe . / An international program is ongoing to measure the neutrino oscillation phenomenon and to determine the neutrino mixing matrix (MNSP) parameters. OPERA is a long-baseline neutrino experiment located at the Gran Sasso Laboratory in Italy, 730~km from CERN, downstream in the CNGS neutrino beam. The OPERA experiment is designed and optimised for a direct appearance search of νµ → ντ oscillations. It can also detect the νµ → νe oscillation driven by sin(2θ13)2 , where θ13 is the last mixing angle finally measured by the Daya Bay, RENO, and Double Chooz experiments in 2012. To observe the presence of ντ interactions in the beam, the OPERA detector is composed of calorimetric targets made of a modular structure called the "brick": a sandwich of lead plates interspaced with emulsion layers. The latter allows reconstructing tracks of charged particles produced in the neutrino interactions with a micrometric resolution. The search for the νµ → νe oscillation signal is based on the capability of identifying the electrons, rejecting background events where neutral pions are produced and keeping under control the intrinsic and dominant background source from the beam contamination. This work aims to elaborate analysis methods to improve the OPERA detector performance in the νµ → νe oscillation search.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第25098号 / 理博第5005号 / 新制||理||1714(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 佐藤 昌利, 教授 柳瀬 陽一, 准教授 戸塚 圭介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM