Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection directe de matière noire sousforme de WIMPs, par l'étude de leur diffusion élastique sur les noyaux de germanium des détecteurs bolomètriques. Le plus problématique des bruits de fond provient des neutrons pouvant mimer l'interaction d'un WIMP dans un détecteur. Ces neutrons sont notamment produits par les rares muons cosmiques de haute énergie qui atteignent le laboratoire souterrain malgré les 4800 m w.e. de roche. Les muons résiduels sont détectés par un système veto de 46 modules de scintillateur plastique entourant l'expérience, qui permet de rejeter la plupart du bruit de fond associé. La détermination précise du bruit de fond neutron résiduel induit par ces muons dans EDELWEISS-III, essentielle pour l'identification des WIMPs, est le but de cette thèse. Le taux de bruit de fond dépend de la géométrie de l'expérience ainsi que des matériaux utilisés, qui ont subi d'importantes modifications depuis EDELWEISS-II. Des simulations GEANT4 du passage des muons dans la nouvelle géométrie ont été réalisées afin d'extraire le taux d'événements induits par les muons dans les bolomètres. Ce taux est en bon accord avec le taux mesuré extrait des données du Run308. En parallèle, une limite inférieure sur l'efficacité du veto muon a été extraite à partir des données bolomètres. Une nouvelle méthode basée sur l'utilisation d'une source d'AmBe a été développée afin d'extraire l'efficacité de chaque module de la simulation. À partir de ces résultats, il a été montré que le bruit de fond attendu est négligeable pour la recherche de WIMPs avec les données du Run308 et ne limitera pas la sensibilité future d'EDELWEISS-III / The aim of the EDELWEISS-III experiment is to detect the elastic scattering of WIMPs from the galactic dark matter halo on germanium bolometers. The most problematic background arises from neutrons, which can mimic a WIMP interaction in a detector. Neutrons are notably induced by high energy cosmic ray muons reaching the underground laboratory despite the 4800 m w.e. of rock overburdened. Remaining muons are tagged using an active muon-veto system of 46 plastic scintillator modules surrounding the experiment, which allows to reject most of the associated background. The goal of this thesis was to give a precise estimation of the irreducible muon-induced neutron background, needed to identify a potential WIMP signal. The expected background depends on the geometry of the experiment as well as on the used materials, both strongly modified since EDELWEISS-II. Geant4-based simulations of muons through the modified geometry were performed to derive the rate of events induced by muons in the bolometer array. This rate has been shown to be in good agreement with the measured one extracted from the Run308 data. In parallel, a lower limit on the muon-veto efficiency was derived using bolometer data only. A new method based on an AmBe source was developed to extract precisely the detection efficiency of individual modules from the simulation. From these results, it was shown that the expected background is negligible for the WIMP search analyses performed with the Run308 data and won't limit the future sensitivity of the EDELWEISS-III experiment

Le détecteur IceCube est constitué d'un réseau de modules optiques digitaux (DOMs) déployés sur un volume d'1 km³ dans la glace antarctique. Les DOMs enregistrent la lumière Cerenkov émise par les particules secondaires issues des interactions des neutrinos avec la glace. Selon la répartition géographique des signaux lumineux dans la glace, on peut différencier les différentes saveurs de leptons et ainsi identifier la saveur du neutrino primaire. Les modèles astrophysiques prédisent une production dominante de neutrinos électroniques et muoniques au sein d'accélérateurs cosmiques. Cependant, lors de leur propagation dans l'univers, ces neutrinos oscillent et on s'attend à observer sur Terre le même flux des trois saveurs de neutrinos. Comme la production de neutrinos tauiques dans l'atmosphère est négligeable, ce canal est affecté d'un bruit de fond intrinsèque quasi nul.<p><p>Ce travail porte sur la détection de neutrinos tauiques d'origine cosmique. A haute énergie (E>PeV), le lepton tau, produit par le neutrino tauique, se propage sur une centaine de mètres avant de se désintégrer. Nous optimisons notre recherche pour le canal de désintégration muonique qui, s'il se produit dans le volume de détection, présente une signature unique. En effet, les différences de masse du tau et du muon induisent des différences quant à leur processus de perte d'énergie qui mènent à une différence de luminosité le long des traces du tau et du muon. <p><p>Nous avons développé une observable originale reposant sur les charges enregistrées par les différents DOMs pour caractériser la luminosité le long d'une trace afin de différencier les traces de muons de celles de taus se désintégrant en muon .Cependant, au niveau de déclenchement du détecteur, on est confronté à un bruit de fond de muons atmosphèriques un million de fois supérieur au signal. Nous avons donc mis en place une série de coupures afin de réduire ce bruit de fond et ainsi augmenter la pureté de notre échantillon. <p><p>Enfin l'application de ces coupures sur un échantillon de données réelles enregistrées durant la saison 2009-2010 et l'absence de signal détecté permettent de poser une limite supérieure sur le flux de neutrinos tauiques. Ceci constitue la première limite expérimentale pour des neutrinos tauiques d'énergies inférieures à 20 PeV. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La physique des particules élémentaires, aussi appelé physique des hautes énergies, est l'étude de l'infiniment petit, popularisée récemment par la découverte de nouvelles particules fondamentales permettant de consolider notre connaissance de la matière. Pour réaliser des mesures à une échelle aussi réduite, une méthode consiste à augmenter l’énergie des constituants de la matière, à l'aide d'accélérateur de particules, puis de les briser pour révéler leur constitution. Au-delà de l'intérêt en termes de physique expérimentale, réaliser des expériences de ce type est devenu une prouesse technologique grandissante avec les niveaux d’énergie atteints. La complexité de l’expérience CMS, cadre dans laquelle ce travail a été réalisé, donne une bonne mesure des défis technologiques relevés.<p>Afin d'affiner encore notre connaissance des processus mis en jeu lors collision de particules dans CMS, une mise à niveau du détecteur est prévue avant la fin de cette décennie. Certains sous-détecteurs actuellement installés, et notamment le spectromètre à muon dans la zone des bouchons, sont d’ores et déjà identifiés comme offrant des performances trop faibles pour l'augmentation du nombres d’événements prévu après cette mise à jour. Ce travail propose de réaliser une étude de faisabilité sur l'utilisation d'une technologie alternative pour ce sous-détecteur, notamment le Triple-GEM, pour combler ces limitations.<p>Une première partie de ce travail consiste en l'étude de cette nouvelle technologie de détecteur à gaz. Cependant, la mise en œuvre de cette technologie conduit à des modifications dans le système d'acquisition de données de CMS. La situation actuelle puis les implications d'un point de vue technique des modifications sont donc détaillées par la suite. Enfin, après avoir identifié les composants et les solutions permettant la collecte de résultats à l’échelle de l'ensemble du sous-détecteur, un système d'acquisition de données similaire a été réalisé et est décrit dans une dernière partie de ce travail. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La collaboration ANTARES construit un télescope à neutrinos en mer Méditerranée. Ce détecteur est composé de 900 PM répartis sur 12 lignes afin de détecter le cône Cherenkov du au muon induit par l'interaction d'un neutrino dans le détecteur. Actuellement les 5 premières lignes de cet instrument ont été connectées. Un premier travail a consisté à étudier la stabilité des calibrations du détecteur, nécessaire pour bien en comprendre le fonctionnement. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés optiques de l'eau en développant une méthode de reconstruction dédiée aux balises LED. Les paramètres ainsi extraits étant comparables avec ceux des précédents tests. Nous proposons ici des critères de qualité visant à rejeter les événements mal reconstruits. Ceuxci ont ensuite été appliqués aux données réelles afin de réaliser une analyse préliminaire des muons atmosphériques avec un détecteur à 5 lignes. Les résultats sont comparables à la simulation.

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The starting SNO+ experiment, successor to the Sudbury Neutrino Observatory, is a neutrino detector using LAB based liquid scintillator as active medium. Situated in the SNOLab deep underground laboratory in Sudbury, Canada, the rock overburden amounts to about 6 km.w.e., providing an effective shielding against cosmic rays. The residual muon rate is 63 μ/day going through the detector volume. About 780 t of an LAB mixture inside an acrylic sphere with a 6 m radius will be observed by ≈ 9300 photomultipliers, surrounded by a ≈ 7000 t water shielding. SNO+ will be searching for low energy solar-, geo-, reactor- and supernova neutrinos, but the main goal is the observation of the neutrinoless double beta decay in Te-130. Under operating conditions, the scintillator will be cooled to about 12° C. This work investigated the effect of temperature changes on the light output of LAB based liquid scintillator in a range from -5° C to 30° C with α-particles and electrons in a small scale setup. Assuming a linear behaviour, a combined negative temperature coefficient of (−0.29 ± 0.01) %/° C is found. Considering hints for a particle type dependency, electrons show (−0.17 ± 0.02) %/° C whereas the temperature dependency seems stronger for α-particles (−0.35 ± 0.03) %/° C. A pulse shape analysis shows increased strength of a slow decay component at lower temperatures, pointing to reduced non-radiative triplet state de-excitations at lower temperatures. Furthermore, this work found upper bounds for the in-situ muon-induced isotope production via scaling calculations and simulations with Geant4 based software. For the most concerning isotope C-11, an upper limit of about 1.3 × 10^3 decays/kt/yr is found and a reduction technique, developed by the Borexino collaboration, can be effectively applied for SNO+. Also a muon reconstruction algorithm is implemented, performing reasonably well, but not good enough to improve the background reduction scheme. / Das zukünftige SNO+ experiment, Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatory, ist ein Neutrino-Detektor mit LAB basierten Flüssigszintillator als aktivem Medium. Im SNOLab Untertagelabor (Sudbury, Kanada) gelegen, ist es durch die Felsüberdeckung von 6 km.w.e. hervorragend gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Die Rate der übrigen Myonen die das Detektorvolumen durchdringen beträgt ca. 63 μ/Tag. In einer Acrylkugel, mit einem Radius von 6 m, wird eine LAB Mischung von ≈ 9300 Photomultipliern beobachtet und von einer Wasserabschirmung von ≈ 7 kt umgeben. SNO+ wird nach niederenergetischen solaren-, Geo-, Reaktor- und Supernova Neutrinos suchen, aber das Hauptziel ist die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Betazerfällen in Te-130. Unter den Betriebsbedingungen wird der Flüssigszintillator eine Temperatur von ca. 12° C annehmen. Diese Arbeit hat den Einfluss von Temperaturveränderungen in einem Bereich von -5° C to 30° C auf die erzeugte Lichtmenge untersucht. Dazu wurden α-Teilchen und Elektronen in einem kleineren Versuchaufbau beobachtet. Unter der Annahme eines linearen Verhaltens, wurde ein globaler negativer Temperaturkoeffizient von (−0.29 ± 0.01) %/° C gefunden. Unter Berücksichtigung von Hinweisen auf eine Teilchenartabhängigkeit, findet sich für Elektronen ein Koeffizient von (−0.17 ± 0.02) %/° C, wohingegen α-Teilchen eine stärkere Abhängikeit von (−0.35 ± 0.03) %/° C aufweisen. Eine Pulsformanalyse zeigt eine bei tieferen Temperaturen stärker ausgeprägte langsame Zerfallskomponente, was darauf hinweist dass die nicht-radiativen Abregungen der Triplet-Zustände bei niedrigeren Temperaturen reduziert sind. Weiterhin wurden in dieser Arbeit obere Ausschlußgrenzen für in-situ Myon-induzierte Isotopenproduktion gefunden, wozu Skalierungsrechnungen und Simulation mit auf Geant4 basierender Software benutzt wurden. Für das wichtigste Isotop C-11 wurde eine obere Grenze von 1.3 × 10^3 Ereignisse/kt/Jahr gefunden und eine Technik zur Reduzierung des Untergrundes, entwickelt von der Borexino Kollaboration, kann effektiv für SNO+ angewendet werden. Darüber hinaus wurde eine Myon Spurrekonstruktion implementiert, die sinnvolle Ergebnisse liefert, aber nicht gut genug ist um die Untergrund Reduzierung zu unterstützen.

New constraints on the scattering cross sections of the Kaluza Klein photon as a darkmatter candidate, its annihilation rate in the Sun and the resulting muon flux on Earth are derived.For this purpose, data collected in the IceCube Neutrino Observatory during 532 days of exposurein the austral winters between 2011 and 2014 have been analyzed with Poisson confidence intervals (J. Conrad et al., 2003) and compared to the simulated prediction achieved with the WimpSimsoftware (J. Edsjö et al., 2003). The results do not allow for any detection claim, but they improveby one order of magnitude the constraints formerly presented in R. Abbasi et al. (2010). Despitethe recent results from LHC experiment which discard lower masses for the Kaluza Klein photon (N. Deutschmann et al., 2017), the new constraints are still relevant for masses above 1500 GeV.

The impressive progress that elementary particle physics made in the second half of the last century led to the formulation of a comprehensive theory, known as the Standard Model (SM), which correctly describes all fundamental interactions in nature, except for the gravitational one. Indirect discoveries have always played an important role in high energy physics scenario and indirect research can be considered to all intents and purposes complementary to the direct one, since allows to test much higher energy scales than those the current colliders are able to reach. This is very important now that electroweak precision tests and measurements on Flavour Changing Neutral Currents (FCNC) processes put very stringent constraints on physics beyond the SM, requiring it to appear at scales O(10 TeV). On the other hand, New Physics (NP) is expected already at scales O(1 TeV) in order to offer a natural explanation to the smallness of the Higgs mass. This scale is also confirmed by recent constraints on thermal dark matter [1] which show how new physics should manifest not far above the electroweak scale. Rare B decays have always played a crucial role in shaping the flavour structure of the SM and particle physics in general. Since the first measurement of rare radiative B æ Kú“ decays by the CLEO Collaboration [2] this area of particle physics has received much experimental and theoretical attention. In particular, FCNC B decays, involving the b-quark transition b æ (s, d) + “ and b æ (s, d) + ¸+¸≠(¸ = e, μ, ·, ‹), provided crucial tests for the SM at the quantum level since they proceed through loop or box diagrams, and they are highly suppressed in the SM (also by helicity). Hence, these rare B decays are characterised by their high sensitivity to NP. The B0 s æ μ+μ≠ channel is the most direct example of the b æ s ¸¸ transitions. The SM predicted branching ratio [3] can be enhanced by coupling to non-SM heavy particles, such as those predicted by the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and other extensions. Updated measurements on the B0 s æ μ+μ≠ branching ratio have been presented by ATLAS [4], LHCb [5] and CMS [6] collaborations. In this thesis I will report all the studies I performed within the rare B decays ATLAS group, measuring the branching ratio of the B0 s æ μ+μ≠ channel on data collected during LHC Run 1. The first chapter provides a general introduction to the SM, focusing in particular on the flavour sector and the possible new physics scenarios. Chapter 2 briefly introduces the LHC collider and the ATLAS detector, detailing the muon and trigger systems, fundamental for the rare B decays measurements. In chapters 3 and 4, I will summarise the work done, during my presence at CERN, on the ATLAS semiconductor strip detector, monitoring the Lorentz angle during Run 1 and measuring the backplane resistance of the silicon modules installed in the ATLAS cavern. In chapter 5, I will review the strategy adopted to measure the B0 s æ μ+μ≠ branching ratio, reporting all the studies I performed on the combinatorial background, and the results obtained on 4.9 fb≠1 of data collected in 2011. Chapters 6 and 7 detail respectively the additional studies I performed on the 2011 datasets and all the tests I made in preparation for the analysis on 20 fb≠1 of data collected in 2012. I will show the studies on the discriminating variables for the rejection of the background, the tests on the multivariate analysis and on the possible strategies for the invariant mass fit for the extraction of the signal yield. All these studies proved to be fundamental for the 2012 measurement detailed in chapter 8.

The quark-connected part of the hadronic light-by-light scattering contribution to the muon’s anomalous magnetic moment is computed using lattice QCD with chiral fermions. We report several significant algorithmic improvements and demonstrate their effectiveness through specific calculations which show a reduction in statistical errors by more than an order of magnitude. The most realistic of these calculations is performed with a near-physical, 139 MeV pion mass on a (5.5 fm)³ spatial volume using the 48³ × 96 Iwasaki gauge ensemble of the RBC/UKQCD Collaboration.

Cette thèse a été effectué sur l'expérience LHCb, située sur le collisionneur proton-proton LHC au CERN. Sa première partie porte sur l'alignement en temps des calorimètres. Nous décrivons une méthode basée sur une asymétrie permettant d'assurer l'alignement en temps des calorimètres électromagnétique (ECAL) et hadronique (HCAL). Nous montrons qu'avec des faisceaux de 450 GeV, et en l'absence du champ magnétique, il faut 55 000 événements minimum bias pour aligner en temps 84$\%$ des cellules du ECAL et 96 $\%$ des cellules du HCAL avec une précision de 0.5 ns. Lors de la mise en service des sous-détecteurs, nous avons analysé plus d'un million d'événements cosmiques, et vérifié que l'alignement interne est meilleur que 1 ns dans le ECAL et le HCAL. D'autre part nous avons aligné en temps le ECAL et le HCAL et obtenu une précision de l'ordre de 2 ns. Grâce aux gerbes hadroniques produites par le faisceau du LHC le 10 septembre 2008, nous avons montré que l'alignement global du HCAL avec l'horloge du LHC est de l'ordre de 0.8 ns.\\ La seconde partie de cette thèse porte sur la reconstruction des canaux $B_{d}\rightarrow D^{-}\rho(770)^{+}$, $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}\rho(770)^{+}$ et $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}K^{*+}(892)$. Une mé\-thode multivariable a été utilisée pour sélectionner les événements de signal et minimiser le bruit de fond $b\bar{b}$. Avec une année nominale de prise de données à LHCb, on attend 450 000 événements $B_{d}\rightarrow D^{-}\rho(770)^{+}$ , 71 000 événements $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}\rho(770)^{+}$ et 1300 événements $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}K^{*+}(8 92)$ avec des rapports signal sur bruit variant entre 1.6 et 6.