Cette étude expérimentale concerne la généation de faisceaux d'électrons aux propriétés inédites. Ces faisceaux d'électrons sont issus de l'interaction d'une impulsion laser ultra-intense et brêve avec un jet de gaz. Jusqu'à récemment, les faisceaux d'électrons ainsi produits avaient une divergence importante et un spectre très large. Un tournant important de cette discipline a été franchi lorsqu'un faisceau d'électrons faiblement divergent (10 mrad) et, par dessus tout, dont le spectre est piqué à haute énergie (170 MeV) a été observé durant cette thèse, en utilisant un nouveau spectromètre monotir à électrons. Une étude paramétrique de l'interaction a permis de suivre l'évolution des propriétés du faisceau d'électrons.<br />Des expériences ont ensuite été menées pour approfondir la caractérisation de ce faisceau. L'observation du spectre de rayonnement de transition généré par les électrons à une interface montre que le faisceau d'électrons interagit avec l'impulsion laser pendant l'accélération. Des oscillations radiales du faisceau d'électrons autour de l'axe laser, qualifiées d'oscillations bétatroniques, ont aussi été visualisées sur les spectres électroniques.<br />Un tel spectre quasi-monoénergétique est essentiel pour de nombreuses applications. Afin de justifier l'intérêt d'un tel faisceau, plusieurs expériences d'applications sont présentées : la radiographie gamma submillimétrique d'objets denses, un profil de dose du faisceau d'électron comparable aux performances actuelles des sources de photons pour la radiothérapie, un profil temporel très bref utile en radiolyse de l'eau et la génération d'une source de rayons X faiblement divergente.

L'énergie stockée dans le Large Hadron Collider est sans précédent. La perte des particules du faisceau peut endommager gravement les aimants supraconducteurs, ayant pour résultat des temps significatifs d'arrêt pour la réparation. Le système des moniteurs de pertes du faisceau (en anglais: BLMS) détecte les gerbes de particules secondaires créées par les pertes faisceau et provoque l'extraction du faisceau avant que des dommages sérieux de l'équipement ne puissent se produire. Cette thèse définit les caractéristiques du BLMS en termes de la fiabilité. Le but principal est la conception d'un système réduisant au minimum soit la probabilité de ne pas détecter une perte dangereuse, soit le nombre de fausses alarmes produites. La théorie et les techniques de fiabilité utilisées sont décrites. La Prédiction de fiabilité, Analyse des Modes de Défaillance de leurs Effets et de leur Criticité (en anglais: FMECA), et l'Analyse par Arbre de Défaillance ont été employées pour fournir une évaluation de la probabilité d'endommager un aimant, du nombre de fausses alarmes et du nombre d'avertissements produits. Les composants les plus faibles dans le BLMS ont été précisés. Les chiffres de fiabilité du BLMS ont été calculés en utilisant un logiciel commercial (IsographTM). L'effet de la variation des paramètres sur les résultats obtenus a été évalué avec une Analyse de Sensibilité. Le modèle de fiabilité a été complété par les résultats des tests d'irradiation. Des améliorations de la conception du système, comme la transmission optique redondante, ont été mises en application grâce à un processus itératif. Le système proposé est conforme aux requêtes de fiabilité. Les incertitudes du modèle proviennent de la connaissance limitée des niveaux de seuils des aimants supraconducteurs et de la localisation des pertes autour de l'anneau. Le modèle mis en œuvre permet des modifications du système, suivant la mesure des taux de risque pendant la durée de vie du LHC. Il peut également fournir des valeurs de référence à d'autres accélérateurs qui mettront en application des technologies semblables.

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Nous présentons dans cette thèse deux applications de la correspondance AdS/CFT. La première est l'analyse des propriétés de transport des modes fermioniques dans les théories des champs fortement couplées. Nous étudions en particulier les propriétés de la constante de diffusion du phonino dans N=4 SYM à densité nulle ou finie. Nous trouvons que la constante de diffusion dépend du potentiel chimique et par conséquent qu'elle n'a pas une propriété d'universalité similaire à celle de la viscosité de cisaillement. La deuxième application traite du comportement de l'entropie d'intrication dans des théories qui contiennent des degrés de liberté massifs. Pour identifier les contributions de la masse à l'entropie d'intrication nous l'évaluons dans un système comprenant des branes de saveur et nous identifions certains des termes dépendants de la masse. Nous trouvons que le coefficient du terme logarithmique est différent de celui calculé dans la théorie des champs libre, un résultat qui est qualitativement en accord avec de résultats holographique antérieurs. De plus nous calculons d'autres termes, prédits dans la théorie des champs, mais qui n'ont pas été identifiés auparavant dans un système holographique.

Le Large Hadron Collider (LHC), située au CERN, Genève, produit des collisions de protons accélérés à une énergie de 3.5 TeV depuis le 23 Novembre 2009. L'expérience ATLAS enregistre depuis des données et poursuit sa recherche de nouvelle physique à travers l'analyse de la cinématique des événements issues des collisions. L'augmentation prévue de la luminosité sur la période s'étalant de 2011 2020 apportera de nouveaux défis pour le détecteur qui doivent être considérés pour maintenir les bonnes performance de la configuration actuelle. Le détecteur interne sera le sous-détecteur le plus affecté par l'augmentation de la luminosité qui se traduira par une augmentation des dommages occasionnés par la forte radiation et par la multiplication du nombre de traces associées à chaque croisement de faisceau. Les dommages causés par l'irradiation intense entrainera une perte d'efficacité de détection et une réduction du nombre de canaux actifs. Un intense effort de Recherche et Développement (R&D) est présentement en cours pour concevoir un nouveau détecteur pixel plus tolérant aux radiations et au cumul des événements générant un grand nombre de traces à reconstruire. Un premier projet de mise-à-jour du détecteur interne, nommé Insertable B-Layer (IBL) consiste à ajouter un couche de détection entre le tube à vide du faisceau et la première couche de silicium. Le projet SLHC prévoit de remplacer l'ensemble du détecteur interne par une version améliorée plus tolérante aux radiations et aux cumuls des événements. Dans cet ouvrage, je présente une étude utilisant la simulation technologique assisté par ordinateur (TCAD) portant sur les méthodes de conception des détecteurs pixels planaires permettant de réduire les zones inactives des détecteurs et d'augmenter leurs tolérances aux radiations. Les différents modèles physiques disponible ont étés étudiés pour développer un modèle cohérent capablede prédire le fonctionnement des détecteurs pixels planaires après irradiation. La structure d'anneaux de gardes utilisée dans le détecteur interne actuel a été étudié pour obtenir de l'information sur les possible méthodes permettant de réduire l'étendu de la surface occupée par cette structure tout en conservant un fonctionnement stable tout au long de la vie du détecteur dans l'expérience ATLAS. Une campagne de mesures sur des structures pixels fut organisée pour comparer les résultats obtenue grâce à la simulation avec le comportement des structures réelles. Les paramètres de fabrication ainsi que le comportement électrique ont été mesurés et comparés aux simulations pour valider et calibrer le modèle de simulation TCAD. Un modèle a été développé pour expliquer la collection de charge excessive observée dans les détecteurs planaires en silicium lors de leur exposition a une dose extrême de radiations. Finalement, un modèle simple de digitalisation à utiliser pour la simulation de performances détecteurs pixels individuels exposés à des faisceau de haute énergie ou bien de l'ensemble du détecteur interne est présenté. Ce modèle simple permets la comparaison entre les données obtenue en faisceau test aux modèle de transport de charge inclut dans ladigitalisation. Le dommage dû à la radiation , l'amincissement et l'utilisation de structures à bords minces sont autant de structures dont les effets sur la collecte de charges affectent les performance du détecteur. Le modèle de digititalisation fut validé pour un détecteur non-irradié en comparant les résultats obtenues avec les données acquises en test faisceau de haut énergie. Le modèle validé sera utilisé pour produire la première simulation de l'IBL incluant les effets d'amincissement du substrat, de dommages dûes aux radiations et de structure dotés de bords fins.

La matière que nous connaissons est composée de hadrons dont les quarks et les gluons sont les composants élémentaires. Ces derniers n'existent pas libres dans la matière ordinaire et sont donc en permanence confinés dans les hadrons. Cependant, d'après les prédictions théoriques, quelques microsecondes après le Big Bang, la température était suffisamment élevée pour que les quarks et les gluons ne soient pas contenus dans les hadrons. Il s'agit d'une phase déconfinée de la matière hadronique appelée Plasma de Quarks et Gluons (QGP). Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Genève) est un accélérateur de particules permettant d'accélérer, entre autres, des ions et de produire des collisions à des énergies dans le centre de masse par nucléons allant jusqu'à plusieurs TeraélectronVolts. Il est ainsi possible d'atteindre des températures permettant de recréer cette phase de QGP pour en étudier les propriétés. C'est dans ce cadre que se place l'expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiement) qui est dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Le temps de vie du QGP étant trop faible, il n'est pas possible de l'étudier directement. Il est alors nécessaire d'utiliser des observables indirectes. Ce travail de thèse s'inscrit directement dans ce programme de physique par le biais de l'étude des collisions d'ions lourds à 2.76 TeV. Deux observables sont abordées : la densité de particules chargées par unité de pseudorapidité et les mésons vecteurs de basse masse (rho, omega et phi) dans le canal dimuons. La première observable permet d'accéder à des informations sur les conditions initiales et la dynamique sous-jacente des mécanismes de production de particules. La mesure est réalisée sur la gamme en pseudo-rapidité la plus large jamais atteinte au LHC (10 unités) grâce au développement d'une méthode d'analyse originale dite " méthode des vertex déplacés ". La technique employée et les résultats obtenus sont décrits dans le chapitre 3. L'étude des mésons vecteurs de basse masse permet d'accéder à la production d'étrangeté via le méson phi et à la symétrie chirale à travers la modification de la fonction spectrale du rho. L'analyse a été menée à l'aide du spectromètre à muons d'ALICE et les résultats obtenus sur le taux de production du méson phi par rapport au mésons rho et omega sont présentés dans le chapitre 4. Dans ce chapitre, une étude sur la sensibilité du détecteur aux effets liés à la restauration de la symétrie chirale est aussi menée.

Celà fait maintenant presque 50 ans qu'on a découvert que la section efficace totale proton-proton augmentait avec l'énergie, alors qu'on pensait précédemment qu'elle deviendrait asymptotiquement constante. Les incertitudes des mesures sur les rayons cosmiques effectuées à haute énergie ne permettent pas de déterminer la forme exacte de l'augmentation de la section efficace avec l'énergie.Le LHC au CERN à Genève fournit des collisions avec une énergie jamais atteinte dans un accélérateur de particule. L'énergie dans le centre de masse était 7 TeV en 2010 - 2011, 8 TeV en 2012 et atteindra 14 TeV dans un futur proche. Le détecteur ATLAS installé sur un des quatre points d'interaction du LHC, est utilisé pour collecter le résultat des collisions proton-proton. Son sous-détecteur ALFA, situé à 240 m du point d'interaction, est utilisé pour détecter les proton résultant des collisions élastiques. ALFA est donc capable, dans certaines conditions particulières de l'optique, de mesurer la section efficace totale et la pente nucléaire.Le travail effectué durant cette thèse a permit de mesurer σtot = 94.88 ± 0.12 stat ± 1.56syst mb et b = 19.45 ± 0.05stat ± 0.31syst GeV-2 à 7 TeV.

Sont décrits dans cette HDR, les travaux scientifiques que j'ai réalisés depuis ma thèse, soutenue en 1994. La première partie de ces travaux fut consacrée à la construction et au développement de détecteurs au sein de l'expérience BaBar. La seconde partie, plus longuement développée ici, fut l'étude des processus di-leptoniques e+e- ->l+l- au sein de l'expérience ALEPH à LEP2. Dans l'expérience BaBar, j'ai tout d'abord contribué à l'étude de faisabilité d'un compteur Cerenkov à seuil dédié à l'identification des particules chargées. J'ai ensuite eu la responsabilité de la construction d'une chambre à fils de contrôle du gain installée dans le système de gaz de la chambre à dérive de BaBar. Ces activités incluaient un travail de conception et de simulation de détecteurs ainsi qu'un travail d'analyse de données de tests. J'ai ensuite participé à l'analyse des données de LEP2 par la mesure des sections efficaces et des asymétries avant-arrière des processus di-leptoniques. J'ai effectué l'interprétation de ces mesures dans le cadre de différents scénarios de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, tels que les interactions de contact à quatre fermions, les dimensions supplémentaires ou la production de sneutrinos avec violation de R-parité. J'ai de plus participé à la combinaison des résultats di-leptoniques des quatre expériences LEP. Ces années passées entre construction de détecteurs et analyse de données dans le domaine de la physique électrofaible m'incitent à rejoindre aujourd'hui la thématique des neutrinos. Le projet de recherche que je présente est centré sur cette thématique, notamment sur mon implication future dans le projet Laguna-LBNO. Enfin, je décris aussi dans ce mémoire mes différentes activités de diffusion scientifique, notamment auprès du public scolaire, car, en plus de mon travail de recherche et d'enseignement, c'est un aspect important de mon activité de ces dix dernières années.

Les trois premières années de fonctionnement de l'expérience ATLAS au LHC, aux résultats fructueux, ont ouvert l'accès à la physique expérimentale à l'échelle du TeV. Les travaux effectués dans ce contexte ont porté à la fois sur des aspects de performance (reconstruction des électrons) et d'analyse (recherche de nouvelle physique). La première partie est consacrée aux mesures in situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La méthodologie employée pour réaliser ces mesures dans les données est présentée en détails ainsi que les méthodes développées pour l'estimation du bruit de fond résiduel. La deuxième partie traite de la recherche de Supersymétrie dans les événements avec deux leptons (électrons ou muons) de charges identiques, accompagnés de jets et éventuellement d'énergie transverse manquante, basée sur l'ensemble des données collectées par ATLAS en 2012 (soit 21 fb-1 à sqrt s= 8 TeV). Ces états finaux sont particulièrement appropriés à la recherche de gluinos ou de squarks de troisième génération. Les principaux aspects de l'analyse sont décrits, notamment les méthodes d'estimation des différents bruits de fond. L'absence d'excès dans les régions de signal par rapport aux prédictions du Modèle Standard est interprétée en termes de limites sur les masses des superpartenaires, dans le cadre de modèles aux spectres de masse simplifiés. Ainsi, dans les modes de désintégrations étudiés, l'existence de gluinos de masse inférieure à 1 TeV, ou de sbottoms de masse inférieure à 500 GeV, est exclue.