Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas. / This thesis presents my work performed since 2010 to develop Micromegas detectors for the CLAS12 spectrometer that will be installed in the Hall B of Jefferson Laboratory (USA). The Micromegas are robust, fast and cheap gaseous detectors. Nevertheless, they must be adapted to the specific CLAS12 environment as there are many challenges to face : presence of a strong magnetic field, off-detector frontend electronics, high hadrons rate, necessity to curve the detectors, few space available. My PhD started by beam tests at CERN that allowed to evaluate the spark rate in CLAS12 Micromegas at a few Hertz. An important part of this document is therefore devoted to the study of several innovative methods to minimize the dead time induced by sparks. Thus, I have performed intensive tests on the optimization of the micromesh high voltage filter, with on Micromegas equipped with a GEM foild or on resistive Micromegas. The latter giving excellent results, full scale prototypes, one of which built by a company, have been tested. The mechanics and the working point (gas, voltages, geometry...) of the detectors have then be validated by laboratory tests. However, to ensure a better signal over noise ratio, the micromesh has been optimized. The CEA Saclay being also responsible for the development of the electronics for CLAS12 Micromegas, I have compared its performance with another electronics, verify its time resolution and determine the signal over noise ratio when 2 m long cables are connecting the electronics to the detector. The progress realized in the context of CLAS12 have furthermore triggered other projects. So, I have carried out simulations based on pseudo-data to validate the feasibility of a meson spectroscopy experiment for which we have proposed a Micromegas based tracker.

The intensive research aiming at matching the needs of creating more improved gaseous detectors helped in the emergence of more than a dozen of new ones. About in the beginning of the 1990 decade MICROMEGAS detector had been developed by Y. Giomataris and G. Charpak. MICROMEGAS is a gaseous detector based on amplification of electron avalanches in short gaps of the order of 100 μm at atmospheric pressure. It has specific properties of stability with respect to the gap length or gas pressure connected with the region of electric field at which it operates. It combines a good energy resolution, 5.4% FWHM at 22 keV X-rays, excellent position resolution that can reach 12 μm; high rate capability well adapted to particle physics experiments. A simple pre-amplification opens the way for orders of magnitude improvement in rate, and, in some cases, in accuracy in beta ray detection. The ease of construction is illustrated by the availability, for some experiments, of large detectors. The properties of MICROMEGAS open the way for promising applications in radiology, X-ray imaging with intense sources, imaging of neutrons, beta- and gamma-rays. / Η διεξοδική έρευνα προκειμένου να δημιουργηθούν ανιχνευτές αερίου πιο βελτιωμένοι βοήθησε στη δημιουργία χιλιάδων νέων ανιχνευτών. Περίπου στις αρχές της δεκαετίας του ‘90 αναπτύχθηκε από τον Ι. Γιοματάρη και G. Charpak ο MICROMEGAS ανιχνευτής. Ο MICROMEGAS είναι λοιπόν ένας ανιχνευτής αερίου, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στην ενίσχυση της χιονοστιβάδας των ηλεκτρονίων σε μικρό κενό της τάξεως των 100 μm σε ατμοσφαιρική πίεση. Έχει συγκεκριμένες ιδιότητες ως προς την ομοιομορφία όσον αφορά το μήκος του κενού ή της πίεσης του αερίου που συνδέεται με τη περιοχή του ηλεκτρικού πεδίου στο οποίο και λειτουργεί. Επιπλέον έχει καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα, 5.4% FWHM σε ακτίνες Χ των 22 keV, υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα η οποία μπορεί να φτάσει τα 12 μm• ικανότητα υψηλού ρυθμού μπορεί να αποκτηθεί για πειράματα σωματιδιακής φυσικής. Μια απλή προενίσχυση μπορεί να βελτίωση κατά ένα μέγεθος το ρυθμό και, σε μερικές περιπτώσεις, την ακρίβεια ανίχνευσης της β-ακτινοβολίας. Η απλή δομή του δίνει την ευκολία στη δημιουργία ανιχνευτών μεγάλων διαστάσεων και αυτό βοηθάει σε μερικά πειράματα καθώς επίσης στη βιομηχανία και στην ιατρική. Οι ιδιότητες του MICROMEGAS ανιχνευτή ανοίγει το δρόμο για πολλές εφαρμογές του στην ακτινολογία, την ανίχνευση ακτινών Χ σκληρής δέσμης, καθώς και την ανίχνευση νετρονίων, β- και γ- ακτινοβολιών.

Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas.

Le sujet principal de la thèse est sur la recherche de bosons de Higgs de grande massese désintégrant en 4 leptons grâce aux données du Run-2 obtenues par le détecteur ATLASauprès du Large Hadron Collider - LHC. L'analyse correspondante, publiée à la conférenceICHEP de 2016 avec un échantillon de données de 14.8 fb-1 à 13 TeV, est décrite en détail. Etelle a été remise à jour dans cette thèse avec un échantillon de données de 36.1 fb-1 à 13 TeV.Cette recherche de bosons de Higgs de grande masse se fait indépendamment du modèle pourplusieurs largeurs de masse du boson : approximation de largeur de masse étroite où on supposela largeur de masse naturelle du signal incluant un effet d'interférence avec le bruit de fond duModèle Standard. La recherche de signal qui bénéficie le plus de l'ajout de contraintediscriminante est aussi présentée pour l'hypothèse d'un signal de boson scalaire. Cettemodification permet d'améliorer la sensibilité de cette analyse de 25%.Cette thèse présente aussi une amélioration du spectromètre à muons d'Atlas venant du projet deNouvelle Petite Roue - NSW pour New Small Wheel en anglais. En particulier sont décrits lasimulation du bruit de fond de la caverne qui affectera les futurs détecteurs, ainsi que lapréparation et la mise en service des modules Micromegas qui seront produits au CEA-Saclaypour l'expérience Atlas. / The thesis is focused on the heavy Higgs boson search in four lepton decay channelwith Run-2 data from the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The analysis publishedat ICHEP 2016 conference that is based on 14.8 fb-1 of 13 TeV data is described in details, whilethe updated results that include 36.1 fb-1 of 13 TeV data are shown as well. The heavy Higgssearch is carried out in a model independent way and it is covering different signal widthhypotheses: narrow width approximation that assumes the signal natural width to be negligiblecomparing to the detector resolution, and the large width assumption including an effect of theinterference with the Standard Model backgrounds. The search that benefits from additionalkinematic discriminant under the scalar signal assumption is presented as well. Thismodification allows to increase the analysis sensitivity up to 25%.The thesis also discusses an upgrade of the ATLAS Muons Spectrometer, namely the NewSmall Wheel project. In particular, simulation of the cavern background that will affect theupgraded detector and commissioning of the Micromegas modules produced at CEA-Saclay forthe New Small Wheel are described.

Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission. / This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.

ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) est une cible active de nouvelle génération construite au GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Les cibles actives sont des cibles gazeuses où le gaz permet de détecter le passage de particules chargées selon le principe des chambres à projection temporelle (TPC). La TPC d'ACTAR est formée d'une anode segmentée de 16384 pixels carrés de 2 mm de côté. La haute densité de voies est gérée par le système électronique GET (General Electronics for TPCs). Ce système digitalise également les signaux sur un intervalle de temps donné, pour une reconstruction 3D complète des évènements. Un démonstrateur huit fois plus petit a d'abord été construit pour vérifier le fonctionnement de l’électronique et la conception mécanique. La finalisation d’ACTAR TPC s’est basée sur les résultats du démonstrateur, qui a été testé avec des faisceaux de 6Li, de 24Mg et de 58Ni. Le commissioning d'ACTAR TPC a été effectué dans le cas de la diffusion résonante sur cible de protons avec des faisceaux de 18O et de 20Ne.Un algorithme de reconstruction des traces mesurées dans la TPC permet d'en extraire les angles et les énergies des ions impliqués dans les réactions. Les résultats sont comparés à des données connues pour déterminer les performances du système de détection. Les résolutions obtenues sur le commissioning à partir de calculs en matrice R valident l'utilisation d'ACTAR TPC pour de futures expériences. Par ailleurs, la diffusion résonante 6Li + 4He réalisée avec le démonstrateur a permis d'étudier les états d’agrégat alpha dans le 10B. Deux résonances à 8.58 MeV et 9.52 MeV sont observées pour la première fois en diffusion élastique dans cette voie de réaction. / ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) is a next generation active target that was designed and built at GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Active targets are gaseous targets in which the gas is also used to track charged particles following the principles of time projection chambers (TPC). The TPC of ACTAR has a segmented anode of 16384 2 mm side square pixels. The high density of pixels is processed using the GET (General Electronics for TPCs) electronic system. This system also digitizes the signals over a time interval, enabling a full 3D event reconstruction. An eight time smaller demonstrator was first built to verify the electronics operation and the mechanical design. ACTAR TPC's final design was based on results obtained with the demonstrator which was tested using 6Li, 24Mg and 58Ni beams. The commissioning of ACTAR TPC was then carried out for the case of resonant scattering on a proton target using 18O and 20Ne beams. A track reconstruction algorithm is used to extract the angles and energies of the ions involved in the reactions. Results are compared to previous data to determine the detection system performances. Comparing the commissioning data with R matrix calculations, excitation functions resolutions in different cases are obtained. The use of ACTAR TPC is validated for future experiments. Furthermore, alpha clustering was studied in 10B through the resonant scattering 6Li + 4He, carried out with the demonstrator. Two resonances at 8.58 MeV and 9.52 MeV are observed for the first time in elastic scattering with this reaction channel.

La première partie rapporte la caractérisation de prototypes de chambre MICROMEGAS en tests sous faisceaux et en laboratoire. L'étude détaille notamment l'efficacité de détection, la multiplicité de la réponse et dépendance du gain du détecteur vis à vis des conditions environnementales. Dans la seconde partie, La détection d'un boson de jauge Z', prédit par différends modèles de types Randal-Sundrum est étudiées dans le cadre de l'expérience CLIC. Le canal considéré implique l'émission du Z' par une paire de quarks top. Le Z' se désintègre ensuite en particules de matière noire. / The first part of the thesis reports on the characterisation of MICROMEGAS prototypes in beam and laboratory tests. Detection efficiency, response multiplicity and detector gain dependency against environmental conditions are detailed. In the second part, the detection of a Z' gauge boson predicted by a Randal & Sundrum inspired model together with a dark matter candidate (nu') is investigated in the framework of the CLIC experiment. The considered channel involves a top quark pair emmiting the Z' which, in turn, decays into nu', anti-nu'.

Le collisionneur linéaire international (ILC) est prévu pour être le prochain grand projet de la physique des hautes énergies. ILC est proposé avec deux détecteurs, International Large Detector (ILD), et Silicon Detector (SID). Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de l'ILD. L'un des principaux composants du détecteur ILD est la chambre à projection temporelle (TPC). Cette thèse se concentre sur le développement de la lecture de la TPC, basée sur l'intégration des détecteurs de gaz Micro-pattern (Micromegas) et de puces CMOS pixels ("Timepix"). Ce nouveau type de dispositif est appelé "Ingrid". Les exigences principales pour "Ingrid" sont d’atteindre la sensibilité aux électrons uniques et d’obtenir une très haute résolution spatiale (~ 30 µm). Avec une TPC, on reconstruit les traces en utilisant le profil 2D des charges sur la plaque a l’extrémité de la TPC et la troisième coordonnée est dérivée du temps de dérive. Dans le cadre de cette thèse, une mini-TPC a été construite a Saclay dans le but de tester plusieurs prototypes de détecteurs "Ingrid". En outre, un système compose de 8 puces nommé "Octopuce" a été construit pour développer des algorithmes de reconstruction de traces. Nous avons effectué plusieurs mesures à l'aide de source radioactive à Saclay. Par ailleurs, de grands modules ont été testés avec un prototype de grande TPC (LP) sur un faisceau de test à DESY. Les résultats obtenus avec deux modules différents ont été présentés et les résultats sont en bon accord avec la prédiction théorique. La présence de la matière noire fournit une bonne indication d'apparition de nouveaux phénomènes a proximité de l'échelle électrofaible, et l'hypothèse populaire d’existence des WIMP doit être testé. Comme les couplages des WIMP aux différentes espèces de particules du modèle standard sont a priori inconnus, la recherche de la production de WIMP en collisions e+e- est complémentaire à la production dans les collisions pp ou a la détection directe de WIMPs primordiaux par leur diffusion sur des nucléons. Dans ce travail, nous étudions possibilité de découverte (ou l'exclusion) de production de paires de WIMPs avec l’ILC. Dans ce processus, un unique photon est rayonne dans l'état initial et une énergie manquante est requise. Nous montrons que l’ILC peut découvrir cette signature, même si l'annihilation en paires électron-positon contribue faiblement au taux d’annihilation de la matière noire dans l'univers primordial. Nous avons traduit la sensibilité en terme d’échelles de masse pour différents types d’opérateurs effectifs et montré que la masse et les couplages des WIMPs peuvent être mesurés avec une précision de l’ordre de 1% si leur détection est avérée. En outre, des études de production de WIMPs avec l’ILC sont complémentaires aux études avec des états finaux mono-X au LHC, car ils testent le couplage WIMP-lepton. Au LHC, le couplage WIMP-proton est testé a une l'échelle de 1 TeV. Avec l’ILC, en utilisant une luminosité intégrée de 500 fb⁻¹, une énergie dans le centre de masse de √s = 500 GeV et avec des faisceau non polarisés, une limite pour l’échelle sur l'interaction de contact Λ de l’ordre de 2 TeV est accessible. De plus, les configurations de polarisation appropriées permettent d'améliorer la sensibilité pour les recherches de matière noire à l’ILC, en supposant que le couplage des paires de WIMP aux électrons et aux positons dépend du choix de l'opérateur. / The International Linear Collider (ILC) is planned to be the next major project in the High Energy Physics. ILC is proposed to have two detectors, namely International Large Detector (ILD), and Silicon Detector (SiD). This thesis is done in the framework of the ILD. One of the main components of the ILD detector is the Time Projection Chamber (TPC). This PhD thesis concentrates on the development of TPC readout, based on integration of the Micro-pattern gas detectors (Micromegas) and CMOS pixel chips ("Timepix"). This new type of device is named "InGrid". Main requirements for "InGrid" is to achieve sensitivity to single electrons and a very high spatial resolution (~30 μm). In TPC one reconstructs tracks using 2D-charge profile on the TPC endplate and the third coordinate is derived from the drift time information. In Saclay mini-TPC was built. Using this mini-TPC, several prototype "Ingrid" detectors have been tested in the course of this PhD. In addition, 8-chips system named “Octopuce” was built to develop track reconstruction algorithms. We have performed several measurements using laboratory radioactive source in Saclay. In addition, the large modules were tested at a Large TPC Prototype (LP) in a test beam area at DESY. Results with two different modules were presented. Obtained results well agreed with theoretical prediction. The existence of Dark Matter provides a strong indication for the appearance of new phenomena near the electroweak scale, and the popular WIMP hypothesis is out there to be tested. Since the couplings of WIMPs to different species of Standard Model particles are a priori unknown, the investigation of WIMP production in e+e- collisions is fundamentally complementary to production in pp collisions or direct detection of primordial WIMPs scattering on nucleons. In this work we investigate the discovery (or exclusion) reach of the ILC based on the production of a pair of WIMPs, which recoils against an energetic photon from initial state radiation. We show that the ILC can discover this signature even if annihilation to electrons provides only a small fraction of the total dark matter annihilation rate in the early universe. We translated the sensitivity into mass scales of various effective operators and showed that the WIMPs mass and couplings can be measured at the percent level in case of an observation. Furthermore, WIMPs studies on ILC are complementary to current LHC in the mono-X final states, because they test WIMP-lepton coupling. LHC studies WIMP-proton coupling at the scale of 1 TeV. ILC could reach limits up to 2 TeV on the contact interaction scale Λ for the vector operator by using an integrated luminosity at 500 fb⁻¹, at the center-of-mass √s = 500 GeV with unpolarized beams. Moreover, proper polarization configurations allows to improve sensitivity for the Dark Matter searches at the ILC, assuming WIMPs pair couple differently to electron and positron for different operators.

Dans le cadre de cette thèse, la conception, la construction et la mise en service de la plateforme de test LEETECH ont été réalisées. La performance de LEETECH, y compris le mode de fonctionnement à faible multiplicité a été démontrée. En fournissant des paquets d’électrons avec une énergie ajustable jusqu’à 3.5 MeV, une multiplicité ajustable à partir d’électrons simples et une durée des paquets jusqu’à 20ps, LEETECH prend sa place entre les faisceaux tests de hautes énergies et de coûts élevés d’un part et l’utilisation de sources radioactifs d’autre part. Dans la région, qui correspond à la particule d’ionisation minimale, la plateforme offre aux détecteurs de traces les conditions similaires aux celles de faisceaux des hautes énergies. Le mode de fonctionnement à faible multiplicité a été étudié en utilisant un détecteur diamant de grande surface. En plus une capacité d’un capteur diamant de résoudre des paquets à faible nombre des particules a été démontrée. Dans le cadre du développement de la chambre à projection temporelle (TPC) pour le projet ILC, une session de test a été dédiée à un détecteur Micromegas/InGrid de large surface. Pour la première fois les pertes d’énergie par un électron dans un mélange de gaz basée sur Helium ont été mesurées pour une énergie de quelques MeV. La résolution en dE/dx et un algorithme pour la reconstruction de traces ont été développés. Une caractérisation préliminaire du quartz barre lu par MCPPMT – un candidat pour le détecteur temps-de- vol (TOF) avec la mission de l’identification des hadrons chargés dans le futur usine tau-charm HIEPA – a été accomplie. La résolution temporelle de 50 ps obtenue pour le détecteur étudié met cette technologie prometteuse pour les études plus approfondies. / Within the present thesis the design, construction and commissioning of a new test beam facility LEETECH have been performed. Performance of the new facility, including low-multiplicity operation mode has been demonstrated. A number of interesting detector tests, including large-area diamond, Micromegas/InGrid and quartz bar detectors have been performed. Development of new detector technologies for future high-energy physics collider experiments calls for selection of versatile test beam facilities, permitting to choose or adjust beam parameters such as particles type, energy and beam intensity, are irreplaceable in characterization and tests of developed instruments. Major applications comprise generic detector R&D, conceptual design and choice of detector technologies, technical design, prototypes and full-scale detector construction and tests, detector calibration and commissioning. A new test beam facility LEETECH (Low Energy Electron TECHnique) was designed, constructed and commissioned in LAL (Orsay) as an extension of existing PHIL accelerator. Providing electron bunches of adjustable energy (up to 3.5 MeV), intensity (starting from a few particles per bunch) and bunch time duration (down to 20 ps), LEETECH fills the gap between high-cost high-energy test beam facilities and use of radioactive sources. Covering a minimum-ionization particles region (electrons of energy above 1.6 MeV), LEETECH provides for tracking detectors similar conditions as high-energy facilities. Using LEETECH as an electron source, several types of detectors were investigated in order to study their performance or applications, also providing a characterization of the LEETECH performance. First studies of the LEETECH facility were performed with a plastic scintillator coupled to the Micro-channel plate photomultiplier. A low-multiplicity mode was investigated using the diamond sensor, at the same time demonstrating its ability to resolve bunches consisting of a few particles. In framework of Time Projection Chamber development for the ILC project, a session dedicated to a large-area Micromegas/InGrid module was performed. For the first time the electron energy losses in Helium-based gas mixtures were measured for the energies of few MeV. The dE/dx resolution was obtained and track reconstruction algorithm was developed. Being a candidate for the time-of- flight detector of the BESIII upgrade and future HIEPA tau-charm factories, a preliminary characterization of the quartz bar performed. The time resolution of the detector module of 50 ps was obtained, giving a promising results for the further detector studies.

Le travail présenté dans cette thèse porte d’une part sur le développement et la caractérisation d’une nouvelle génération de détecteurs Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) pour l’expérience COMPASS au Cern, et d’autre part sur l’estimation de la contribution de canaux diffractifs à la production de pions et de kaons, dans le cadre de l’étude des fonctions de fragmentation de quarks en hadrons à COMPASS. De nouveaux détecteurs Micromegas d’une surface active de 40 x 40 cm² sont en cours de développement pour le futur de l’expérience COMPASS, à partir de 2015. Ces détecteurs devront fonctionner dans des flux de muons et hadrons approchant 8 MHz/cm². Pour cela, une zone centrale d’environ 5 cm de diamètre, traversée par le faisceau, sera constituée de 1280 pixels, et des technologies permettant de fortement réduire l’impact des décharges seront adoptées. Quatre prototypes de géométrie finale utilisant deux types de technologies de réduction des décharges différentes ont été produits au Cern et testés en conditions réelles à COMPASS entre 2010 et 2012. Trois d’entre eux sont des détecteurs hybrides utilisant une feuille GEM (Gas Electron Multiplier) en tant qu’étage de préamplification pour réduire la probabilité de décharge. Le dernier détecteur est équipé d’une structure résistive à « résistances enterrées », permettant la réduction de l’amplitude des décharges. Leurs performances sont présentées dans cette thèse. L’impact de ces résultats sur la production et la mise en œuvre de la série finale de détecteurs est également discuté. Les fonctions de fragmentation de quarks en hadrons l’hadronisation d’un quark de saveur q en un hadron h. Ces fonctions universelles interviennent dans l’expression de la section efficace de nombreux processus. Elles sont accessibles à COMPASS via la réaction de diffusion profondément inélastique semi-inclusive de muons sur des nucléons. Les observables permettant leur extraction dans ce cadre sont les multiplicités de hadrons, soit le nombre moyen de hadrons produits par événement de diffusion profondément inélastique. Les mésons vecteurs issus de processus diffractifs produisent également des pions et kaons par leur désintégration. Ces processus n’impliquant pas l’hadronisation d’un quark, il semble justifié de ne pas les comptabiliser dans la mesure des multiplicités. Ce travail propose une étude Monte-Carlo des contributions de la production diffractive de mésons vecteurs rho et phi à la production de hadrons léger et aux événements inclusifs. Des facteurs de correction des multiplicités sont finalement établis. Enfin, l’effet de cette correction sur l’extraction des fonctions de fragmentation en pions est présenté. / This thesis is dedicated to the development and characterisation of a new generation of Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) detectors for the COMPASS experiment at Cern, and the estimation of the diffractive processes’ contribution to the production of pions and kaons, concerning the study of the quark fragmentation functions into hadrons at COMPASS. New Micromegas detectors with a 40 x 40 cm² active area are being developed for the future physics program of the COMPASS experiment starting in 2015. These detectors will have to work in high muon and hadron flux (close to 8 MHz/cm²). In this context, a central area of about 5 cm diameter, crossed by the beam, will be composed of 1280 pixels, and discharge-reduction technologies will be used. Four prototypes with a final read-out geometry, using two different discharge-reduction technologies have been produced at Cern and studied in nominal conditions at COMPASS between 2010 and 2012. Three are hybrid detectors using a GEM (Gas Electron Multiplier) foil as a preamplification stage to reduce the discharge probability. The other is equipped with a so called “buried resistors” resistive structure allowing to strongly reduce the discharge amplitude. Their performances are presented in this thesis. The impact of these results on the production and implementation of the final series of detectors is also discussed. Quark fragmentation functions into hadrons describe the hadronisation of a quark of flavor q into a hadron h. These universal functions take part in the cross-section expression of several processes. They can be accessed at COMPASS via semi-inclusive deep inelastic scattering of muons off nucleons. The relevant observables for fragmentation function extraction are hadron multiplicities, corresponding to the mean number of hadrons produced per deep inelastic scattering event. Vector mesons produced by a diffractive process can decay into pions and kaons. As such processes do not involve quark hadronisation, they should a priori be excluded from multiplicity measurements. This work presents a Monte-Carlo study of the impact of diffractive rho and phi production on light hadrons and inclusive events yields. Multiplicity correction factors are finally established. The effect of this correction on the extraction of pion fragmentation functions is also discussed.