This doctoral thesis is part of the upgrade of the CMS experiment at the Large HadronCollider of CERN, the LHC. CMS, together with the ATLAS experiment, led to thediscovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012. But the LHC research program isnot over yet. Indeed, the LHC is intended to operate even at least 20 more years. Duringthis period, the luminosity will grow gradually up to five times its nominal value of 10 34cm −2 s −1 initially foreseen. This increase in luminosity requires the LHC experiments,like CMS, to upgrade their detectors as well as their data acquisition system. One of thenext major CMS upgrade is the addition of a new detector layer in the forward muonspectrometer of CMS. The technology that has been chosen by the CMS collaborationfor this upgrade is the Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM) technology. Thisupgrade aims to maintain the trigger performance despite the increasing rate of particles(> 1 kHz/cm 2 ) and will also improve the reconstruction of muons tracks, thanks to aexcellent spatial resolution (∼ 250 μm). It is the study and characterization of thistechnology that is the subject of this thesis.This characterization of the Triple-GEM detectors starts with a detailed study of thetime resolution. This study has been performed using different Monte Carlo simulationslike GARFIELD, and has demonstrated that the Triple-GEM detectors equipped withthe new VFAT3 electronics (developed for this upgrade) fulfill the requirements for theCMS upgrade.Then we have studied different detector prototypes. First, we have built two small 10×10cm 2 prototypes and developed a test bench at the ULB laboratory. This test bench hasallowed us to study another important parameter of the Triple-GEM detectors: the gain.Later, we also had the opportunity to take part in the data taking and analysis of a testbeam campaign at CERN. The analysis of the data of this test beam is also presentedin detail.The last part of this work concerns the study of the spatial resolution. We have estimatedthe spatial resolution of the Triple-GEM detector equipped with a binary electronics byMonte Carlo simulations as well as analytically. This study has been extended to otherdetector technologies like the Micromegas and the silicon sensors. / Cette th`ese de doctorat s’inscrit dans le cadre de la mise `a niveau de l’exp ́erience CMSaupr`es du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. CMS, avec l’exp ́erienceATLAS, a permis la d ́ecouverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012. Mais leprogramme de recherche du LHC n’est pas pour autant termin ́e. En effet, le LHC estdestin ́e `a fonctionner encore au moins 20 ans. Pendant cette p ́eriode, la luminosit ́e vacroˆıtre progressivement jusqu’`a atteindre environ cinq fois la valeur nominale de 10 34cm −2 s −1 initialement pr ́evue et ce d’ici 2025. Cette augmentation de luminosit ́e pousseles exp ́eriences du LHC, comme CMS, `a mettre `a jour les d ́etecteurs ainsi que leurssyst`emes d’acquisition de donn ́ees. Une des prochaines mises `a niveau majeures deCMS est l’addition d’une nouvelle couche de d ́etection dans le spectrom`etre `a muonvers l’avant. La technologie de d ́etection qui a ́et ́e choisie par la collaboration CMS estla technologie des Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM). Cette mise `a niveaua pour but de maintenir les performances du syst`eme de d ́eclenchement et ce malgr ́el’augmentation de taux de particules (> 1 kHz/cm 2 ) et de permettre ́egalement, grˆacea la tr`es bonne r ́esolution spatiale des Triple-GEM (∼ 250 μm), l’am ́elioration de la re-construction des traces de muons. C’est l’ ́etude des caract ́eristiques de cette technologiequi est le sujet de cette th`ese.Cette caract ́erisation des d ́etecteurs Triple-GEM commence par une ́etude d ́etaill ́ee de lar ́esolution temporelle. Cette ́etude a ́et ́e r ́ealis ́ee `a l’aide de diff ́erentes simulations MonteCarlo telles que GARFIELD et a permis de montrer que les Triple-GEMs ́equip ́es de lanouvelle ́electronique VFAT3 (sp ́ecifiquement d ́evelop ́ee pour les Triple-GEMs) remplis-sent les conditions pour la mise `a niveau de CMS.Nous avons ensuite ́etudi ́e diff ́erents prototypes. Tout d’abord nous avons construit deuxpetits (10 × 10 cm 2 ) prototypes de Triple-GEM et d ́evelop ́e un banc de test au sein dulaboratoire de l’ULB. Ce banc de test nous a permis d’ ́etudier un autre param`etre impor-tant des d ́etecteurs Triple-GEM: le gain. Au cours de cette th`ese nous avons ́egalementparticip ́e `a la prise de donn ́ees et `a l’installation de diff ́erents tests en faisceau au CERN.L’analyse des donn ́ees du test en faisceaux d’octobre 2014 est aussi pr ́esent ́ee en d ́etail.La derni`ere partie de ce travail concerne l’ ́etude de la r ́esolution spatiale. Nous avonsestim ́e la r ́esolution spatiale par simulation de Monte Carlo ainsi que de mani`ere an-alytique pour des d ́etecteurs GEM munis d’une ́electronique binaire. Cette ́etude a ́egalement ́et ́e g ́en ́eralis ́ee `a d’autres d ́etecteurs tels que les Micromegas ou encore lescapteurs au silicium. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail avait pour ambition de caractériser deux processus collisionnels différents impliquant des paires d'ions. Ces derniers, que ce soit sous forme de cations ou sous forme d'anions, ont une importance majeure pour l'astrochimie. Ainsi, il est vital de pouvoir fournir des données théoriques ou expérimentales sur les processus conduisant tant à la formation qu'à la consommation de ces ions. Le premier processus que nous avons étudié, nommé la dissociation en paires d'ions, conduit à la formation d'ions secondaires. Nous avons caractérisé ce processus tant théoriquement qu'expérimentalement. Ainsi, au moyen de collisions à haute vitesse entre un jet d'atomes d'hélium et un faisceau d'agrégats carbonés neutres ou ionisés, nous avons obtenu les différents rapports de branchements et sections efficaces concernant la dissociation en paires d'ions de ces composés de tailles n et de charges q variées. Grâce à ce travail, qui a permis d'effectuer une étude expérimentale sur l'influence de ces deux paramètres, nous avons ainsi montré que la dissociation en paires d'ions est toujours présente, quelle que soit la taille ou la charge du composé étudié. Dans le but de décrire la dissociation en paires d'ions au moyen de méthodes ab initio, nous avons également calculé les courbes d'énergies potentielles relatives aux états très excités de l'ion moléculaire C_2+. Sur base de l'analyse de population de Mulliken des fonctions d'onde relatives à ces états moléculaires, nous avons ainsi pu mettre en évidence le canal ionique impliqué dans la dissociation en paires d'ions de C_2+, via une méthodologie purement ab initio. Nous avons également calculé les taux théoriques de dissociation en paires d'ions pour les molécules C_2+ et C_3+, au moyen d'un modèle statistique basé sur le nombre de limites de dissociation et d'états moléculaires s'y corrélant. Nous avons ainsi pu comparer les données expérimentales et théoriques pour ces deux systèmes et avons montré que ce modèle, malgré de nombreuses hypothèses, permet de prédire le comportement relatif de la dissociation en paires d'ions au sein de ces composés. Le second processus que nous avons caractérisé est la neutralisation mutuelle d'ions atomiques de charges opposées conduisant ainsi à la consommation de ces ions. Nous avons étudié ce processus au sein des systèmes Li+/H-, Li+/D-, O+/O- et N+/O-, à la fois d'un point de vue théorique mais également expérimental. Ainsi, en utilisant un dispositif de faisceaux confluents, nous avons pu mesurer les sections efficaces totales de neutralisation mutuelle pour ces différents systèmes, à des énergies de collisions inférieures à 1 eV. Nous avons également pu obtenir les différents rapports de branchements associés à chacun des états atomiques peuplés au sein de ces systèmes lors de la neutralisation mutuelle. De manière assez surprenante, les mesures obtenues pour les collisions N+/O- ont permis de mettre en évidence une contribution importante d'un état atomique impliquant un processus à deux électrons. Nous avons caractérisé la neutralisation mutuelle au sein de ces quatre systèmes via différentes méthodes théoriques. Ainsi, nous avons utilisé des méthodes ab initio afin de calculer les courbes d'énergies potentielles et les éléments de couplages non-adiabatiques radiaux impliqués dans les systèmes Li+/H- et Li+/D-, en utilisant et en optimisant différentes bases de calculs ab initio. Au moyen d'une méthodologie Landau-Zener multivoies, nous avons ensuite pu mettre en évidence l'influence de ces bases de calculs sur les différentes sections efficaces totales et les rapports de branchements en découlant, tout en comparant les résultats théoriques aux données expérimentales. Dès lors, nous avons pu montrer que les éléments théoriques clés pour la bonne description de la neutralisation mutuelle Li+/H- et Li+/D- sont l'obligation d'utiliser les éléments de couplages non-adiabatiques radiaux ainsi que la description adéquate des croisements évités entre les états moléculaires. Pour des systèmes complexes tels que N+/O- et O+/O-, les méthodes ab initio habituelles ne peuvent être utilisées vu le nombre conséquent d'états moléculaires à prendre en compte afin de décrire la neutralisation mutuelle au sein de ces systèmes. Cependant, nous avons pu obtenir les sections efficaces totales et rapports de branchements théoriques pour ces deux systèmes en utilisant une méthode asymptotique à un électron afin d'obtenir les couplages impliqués dans la neutralisation mutuelle de ces systèmes. Ces couplages ont ensuite été utilisés dans une méthodologie Landau-Zener multivoies afin d'obtenir les sections efficaces totales et rapports de branchements, malgré la complexité de la description théorique de la neutralisation mutuelle O+/O- et N+/O- Dans ce dernier système, nous avons également utilisé des calculs purement atomiques afin de tenir compte du processus à deux électrons, mis en évidence par les résultats expérimentaux. Ainsi, nous avons pu montrer que les sections efficaces et rapports de branchements prédits sont en assez bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus au moyen du dispositif expérimental de faisceaux confluents. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse de doctorat a pour cadre l’expérience CMS auprès du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Le LHC, qui a permis la découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs, est destiné à fonctionner pour encore 20 ans, avec une luminosité qui croîtra progressivement pour atteindre d’ici 2025 la valeur de 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, c'est à dire environ cinq fois la valeur initialement prévue. Ceci a pour conséquence que les expériences doivent s’adapter et mettre à niveau une série de leurs composants et détecteurs. Une des prochaines mises à niveau de l’expérience CMS concerne les détecteurs Triple Gas Electron Multiplier (GEM) qui sont actuellement en développement pour la partie avant du spectromètre à muons de l’expérience. Ces détecteurs seront installés dans CMS durant le deuxième long arrêt du LHC, en 2018-2019, appelé LS2. Cette mise à niveau a pour but de contrôler les taux de déclenchement d’événements pour la détection de muons, grâce à la haute performance de ces détecteurs Triple GEM en présence de taux de particules extrêmement élevés (>1 kHz/cm^2). De plus, grâce à sa très bonne résolution spatiale (~250 um), la technologie GEM peut améliorer la reconstruction des traces de muons et la capacité d’identification du détecteur avant.Le but de mon travail de recherche est d’estimer la sensitivité des Triple GEMs à l’environnement de radiation hostile dans CMS, essentiellement composé de neutrons et de photons produits lors des interactions entre les particules et les détecteurs constituant l’expérience CMS. L’estimation précise de cette sensitivité est très importante, car une sous-estimation pourrait avoir des effets désastreux pour l’efficacité des Triple GEMs une fois installés dans CMS. Pour valider mes simulations, j’ai également reproduit des résultats expérimentaux obtenus avec d’autres détecteurs similaires déjà installés dans CMS, tels que les Resistive Plate Chambers (RPC).La deuxième partie de mon travail concerne l’étude de la capacité de l’expérience CMS à discerner différents modèles de nouvelle physique prédisant l’existence de bosons vecteurs, appelés Z'. Ces modèles font partie des extensions plausibles du Modèle Standard. En particulier, l’analyse se concentre sur des simulations dans lesquelles le Z' se désintègre en deux muons, et sur l’impact que les mises à niveau avec les détecteurs Triple GEM apporteront à ces mesures tout le long de la phase de haute intensité du LHC. Mes simulations montrent que plus de 20% des événements simulés comptent au moins un muon dans la région en pseudo-rapidité (eta) de CMS couverte par les détecteurs Triple GEM. Les résultats préliminaires démontrent que, dans le case de modèles à 3 TeV/c^2, il sera possible dès la fin de la Phase I de distinguer un Z'I d'un Z'SSM avec un niveau de signification alpha > 3 sigma. / This PhD thesis takes place in the CMS experiment at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The LHC allowed the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012, and is designed to run for at least 20 years, with an increasing luminosity that will reach by 2025 a value of 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, that is a yield five times greater than the one initially intended. As a consequence, the experiments must adapt and upgrade many of their components and particle detectors. One of the foreseen upgrades of the CMS experiment concerns the Triple Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, currently in development for the forward muon spectrometer. These detectors will be installed in CMS during the second long LHC shutdown (LS2), in 2018-2019. The aim of this upgrade is to better control the event trigger rate at Level 1 for muon detection, thanks to the high performance of these Triple GEM detectors, in presence of very high particle rates (>1 kHz/cm^2). Moreover, thanks to its excellent spatial resolution (~250 um), the GEM technology can improve the muon track reconstruction and the identification capability of the forward detector.The goal of my research is to estimate the sensitivity of Triple GEMs to the hostile background radiation in CMS, essentially made of neutron and photons generated by the interaction between the particles and CMS detectors. The accurate evaluation of this sensitivity is very important, as an underestimation could have ruinous effects of the Triple GEMs efficiency, once they are installed in CMS. To validate my simulations, I have reproduced experimental results obtained with similar detectors already installed in CMS, such as the Resistive Plate Chambers (RPC).The second part of my work regards the study of the CMS experiment capability to discriminate between different models of new physics predicting the existence of neutral vector bosons called Z'. These models belong to plausible extensions of the Standard Model. In particular, the analysis is focused on simulated samples in which the Z' decays in two muons, and on the impact that the Triple GEM detectors upgrades will bring to these measurements during the high luminosity phase of the LHC, called Phase II. My simulations prove that more than 20% of the simulated events see at least one muon in the CMS pseudo-rapidity (eta) region covered by Triple GEM detectors. Preliminary results show that, in the case of 3 TeV/c^2 models, it will be possible already at the end of Phase I to discriminate a Z'I from a Z'SSM with a significance level alpha > 3 sigma. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In the quest for ultrathin materials compatible with CMOS technology for all-optical signal processing applications in integrated photonics, graphene appears to be a promising candidate, with broadband1 optical properties and a high and broadband optical nonlinearity. However, researchers do not agree on the value of its nonlinear refractive index, and commonly used characterization methods do not provide a clear picture of the optical nonlinearity, in terms of its tensor nature or relaxation time. In the first part of this thesis, apart from the previously used Z-scan method, we have also used the ultrafast Optical Kerr Effect method coupled to Optical Heterodyne Detection (OHD-OKE) for the characterization of the third order optical nonlinearity of monolayer CVD graphene at telecom wavelengths. This method allows to separately measure the real and the imaginary part of the third-order nonlinearity, as well as their dynamics. With respect to the Z-scan method, OHD-OKE presents the major advantage of being robust against inhomogeneities of the sample. As such, we have demonstrated that graphene has a negative nonlinear refractive index, contrary to previously reported results. In addition, we have studied the real and imaginary part of graphene’s nonlinearity, when electrostatic gating is applied to change the chemical potential of graphene. Furthermore, we have proposed an enhanced version of the OHD-OKE method, together with the appropriate theoretical framework, in order to extract the tensor elements of the nonlinearity including the out-of-plane tensor elements. In particular, we have measured separately the time response of the two main tensor elements of the nonlinear susceptibility and we have experimentally verified that the out-of-plane tensor components are negligible. In the second part of this thesis, we have investigated, from an experimental point of view, the use of the nonlinear optical response of graphene for all-optical switching applications in integrated photonics. Namely, we have designed simple silicon nitride waveguide structures that constitute basic building blocks of switching devices, which were then fabricated and covered by graphene patches. Finally, we have experimentally tested the graphene-covered structures at low and high power levels and discussed the results. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished