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Neutrinooszillationen sind ein sehr aktives Forschungsfeld. In den letzten Jahrzehnten haben viele Experimente das Phänomen untersucht und sind inzwischen zu Präazisionsmessungen vorangeschritten. Mit seiner Niederenergieerweiterung DeepCore kann das IceCube-Experiment zu diesem Forschungsfeld beitragen. IceCube ist ein 1 km^3 großes Tscherenkow-Neutrino-Teleskop, welches das tiefe, antarktische Eis des Südpols als optisches Medium nutzt. DeepCore ist eine Erweiterung mit dichterer Instrumentierung im unteren Teil des IceCube-Teleskops. Diese dichte Instrumentierung ermöglicht den Nachweis von Neutrinos mit Energien ab einer Energieschwelle von etwa 10 GeV. Jedes Jahr werden Tausende von atmosphärischen Neutrinos oberhalb dieser Schwelle in DeepCore detektiert. Eine Bestimmung der Energie der Neutrinos und des durch sie zurückgelegten Weges durch die Erde ermöglicht die Messung von Neutrinooszillationen. In dieser Arbeit werden zunächst die Möglichkeiten von DeepCore diskutiert, Oszillationen auf unterschiedliche Weise zu messen. Das Verschwinden von Myon-Neutrinos wird als erfolgsversprechender Prozess ausgewählt. Darauf folgt die Beschreibung einer Methode zur Identifizierung von Tscherenkow-Photonen, welche detektiert wurden, bevor sie gestreut wurden -sogenannte- direkte Photonen. Mit Hilfe dieser Photonen kann der Zenitwinkel der Myon-Neutrinos bestimmmt werden. Auch die Energie der Neutrinos wird rekonstruiert. In den Jahren 2011 und 2012 wurden innerhalb von 343 Tagen mit dieser Analyse 1487 Neutrinokandidaten mit Energien zwischen 7 GeV und 100 GeV in DeepCore gefunden. Vergleicht man diese Zahl mit der erwarteten Zahl vom atmosphärischen Neutrinofluss ohne Oszillationen, so ergibt sich ein Defizit von etwa 500 Ereignissen. Die Osziallationsparameter, die die Daten am besten beschreiben, sind im Einklang mit den Parametern, die von anderen Experimenten veröffentlicht wurden. / The study of neutrino oscillations is an active field of research. During the last couple of decades many experiments have measured the effects of oscillations, pushing the field from the discovery stage towards an era of precision and deeper understanding of the phenomenon. The IceCube Neutrino Observatory, with its low energy subarray, DeepCore, has the possibility of contributing to this field. IceCube is a 1 km^3 ice Cherenkov neutrino telescope buried deep in the Antarctic glacier. DeepCore, a region of denser instrumentation in the lower center of IceCube, permits the detection of neutrinos with energies as low as 10 GeV. Every year, thousands of atmospheric neutrinos around these energies leave a strong signature in DeepCore. Due to their energy and the distance they travel before being detected, these neutrinos can be used to measure the phenomenon of oscillations. This work starts with a study of the potential of IceCube DeepCore to measure neutrino oscillations in different channels, from which the disappearance of muon neutrinos is chosen to move forward. It continues by describing a novel method for identifying Cherenkov photons that traveled without being scattered until detected direct photons. These photons are used to reconstruct the incoming zenith angle of muon neutrinos. The total energy of the interacting neutrino is also estimated. In data taken in 343 days during 2011-2012, 1487 neutrino candidates with an energy between 7 GeV and 100 GeV are found inside the DeepCore volume. Compared to the expectation from the atmospheric neutrino flux without oscillations, this corresponds to a deficit of about 500 muon neutrino events. The oscillation parameters that describe the data best are in agreement with the results reported by other experiments. The method and tools presented allow DeepCore to reach comparable precision with the current best results of on-going experiments once five years of data are collected.

Resumo não disponível

L’expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l’angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l’étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d’effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d’installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l’effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l’expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l’expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l’étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d’interaction et partant l’efficacité de détection. L’étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l’expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d’améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s’expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d’observer la distorsion — caractéristique de l’oscillation — du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s’attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s’en prémunir sont enfin discutés. / The Double Chooz experiment aims to measure the θ₁₃ mixing angle through the disappearance—induced by the oscillation phenomenon—of anti-neutrinos produced by the Chooz nuclear reactors. In order to reduce systematic uncertainties, the experiment relies on the relative comparison of detected signals in two identical liquid scintillator detectors. The near one, giving the normalization of the emitted flux, is currently being built and will be delivered in spring 2014. The far detector, sensitive to θ₁₃, is located at about one kilometer and is taking data since 2011. In this first phase of the experiment, the far detector data are compared to a prediction of the emitted neutrino flux to estimate θ₁₃. In this thesis, the Double Chooz experiment and its analysis are presented, especially the background studies and the rejection of parasitic signals due to light emitted by photo-multipliers. Neutron fluxes between the different detector volumes impact the definition of the fiducial volume of neutrino interactions and the efficiency of detection. Detailed studies of these effects are presented. As part of the Double Chooz experiment, studies were performed to improve the prediction of neutrino flux emitted by reactors. This work revealed a deficit of observed neutrino rates in the short baseline experiments of last decades. This deficit could be explained by an oscillation to a sterile state. The Stereo project aims to observe a typical signature of oscillations: the distortion of neutrino spectra both in energy and baseline. This thesis presents the detector concept and simulations as well as sensitivity studies. Background sources and the foreseen shielding are also discussed.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure de l'angle de mélange thêta13 via l'étude des oscillations d'antineutrinos électroniques produits par les réacteurs nucléaires de Chooz, à l'aide de deux détecteur identiques, permettant ainsi de s'affranchir de la plupart des incertitudes systématiques. Le détecteur proche, dont le but est la normalisation du flux émis, sera opérationnel en 2013, alors que le lointain, qui prend des données depuis avril 2011, est quant à lui sensible à thêta13, c'est-à-dire à un déficit et une déformation spectrale des antineutrinos électroniques détectés. Au sein de cette thèse l'expérience Double Chooz est présentée, avec sa source de neutrino, sa méthode de détection, et les signal et bruits de fond attendus. Afin de sélectionner ces évènements, de nombreuses quantités doivent être reconstruites, étalonnées et sauvegardées dans des fichiers de données. Un soin spécial est donc apporté à la présentation de la détermination des retards en temps des canaux d'acquisition, de l'algorithme de reconstruction d'énergie et de vertex CocoReco, du logiciel compilant les outils de reconstruction Common Trunk et du réducteur de données Cheetah. En ce qui concerne l'analyse, toutes les coupures de sélection et leurs résultats sont présentés. En particulier, la coupure de multiplicité, la méthode des multiples fenêtres en temps décalées, le véto lithium, et les études relatives au bruit de fond 9Li sont discutés. Pour 227,93 jours de données du détecteur lointain, 8249 candidats neutrino ont été observés. La prédiction du flux émis utilise la mesure de l'expérience Bugey 4 en corrigeant des différences de composition des coeurs. En l'absence d'oscillation, 8937 évènements étaient attendus. Ce déficit est interprété comme une disparition d'antineutrinos électroniques. Une analyse utilisant cette information et la déformation spectrale des antineutrinos électroniques donne sin^2 (2thêta13) = 0,109 +- 0,030 (stat) +- 0,025 (syst) pour Delta m31^2 = 2,32 10^-3 eV^2. L'hypothèse de non-oscillation est exclue à 2,9 sigmas.

A search for a diffuse flux of cosmic neutrinos with energies in excess of 1014 eV was performed using two years of AMANDA-II data, collected in 2003 and 2004. A 20% evenly distributed sub-sample of experimental data was used to verify the detector description and the analysis cuts. A very good agreement between this 20% sample and the background simulations was observed. The analysis was optimised for discovery, to a relatively low price in limit setting power. The background estimate for the livetime of the examined 80% sample is 0.035 ± 68% events with an additional 41% systematical uncertainty. The total neutrino flux needed for a 5σ discovery to be made with 50% probability was estimated to 3.4 ∙ 10-7 E-2 GeV s-1 sr-1 cm-2 equally distributed over the three flavours, taking statistical and systematic uncertainties in the background expectation and the signal efficiency into account. No experimental events survived the final discriminator cut. Hence, no ultra-high energy neutrino candidates were found in the examined sample. A 90% upper limit is placed on the total ultra-high energy neutrino flux at 2.8 ∙ 10-7 E-2 GeV s-1 sr-1 cm-2, taking both systematical and statistical uncertainties into account. The energy range in which 90% of the simulated E-2 signal is contained is 2.94 ∙ 1014 eV to 1.54 ∙ 1018 eV (central interval), assuming an equal distribution over the neutrino flavours at the Earth. The final acceptance is distributed as 48% electron neutrinos, 27% muon neutrinos, and 25% tau neutrinos. A set of models for the production of neutrinos in active galactic nuclei that predict spectra deviating from E-2 was excluded.

A new formalism is presented for calculating the mean intensity spectrum and angular power spectrum of gamma-rays or neutrinos from extragalactic annihilating dark matter, taking into account the dependence of the relative motions of the annihilating particles on the annihilation cross section. To model the large scale dark matter distribution of mass and relative velocities, the halo distribution model is comprehensively summarized, and extended to include a universal radial profile of the particles' velocity variance, based on results from N-body computer simulations of dark matter halos. A velocity variance profile, associated with the NFW density profile, is proposed by enforcing a power-law profile of the pseudo phase-space density. This allows the large-scale velocity distribution to be described by virialized, gravitationally bound dark matter halos, as opposed to thermal motions used to describe the velocity distribution in the early Universe. The recent particle motion history of the Universe is presented for the described model. Sample extragalactic gamma-ray intensities from dark matter annihilation are shown for dark matter annihilating with p-wave, according to a relative-velocity-weighted annihilation cross section sigmav = a + bv^2, for constants a and b, with examples taken from supersymmetric models. For thermally produced dark matter, the p-wave suppresses the signal intensity. If b/a > 10^6, the p-wave hardens the intensity spectrum by an estimated factor of 1 + (6b/a)delta_I (E_gamma), and increases the angular power spectrum by a factor also depending on new coefficients (delta_Cl)^(1) (E_gamma ) and (delta_Cl)^(2) (E_gamma ). The energy-dependence of the new p-wave coefficients delta_I , (delta_Cl)^(1) (E_gamma ), and (delta_Cl)^(2) (E_gamma ) are shown for various annihilation spectra. Sample intensity spectra are also presented for Sommerfeld-enhanced annihilation. The intensity of neutrinos from dark matter annihilation is also considered. The variations between the dark matter annihilation signals for different particle phenomenologies suggest that particle physics constraints are possible from an observed indirect detection signal. Calculations of the annihilation signal from the galactic halo are also shown. The extragalactic signal's intensity is found to be consistent in magnitude with the galactic intensity?within the uncertainty of the models of the dark matter distribution?when looking out from the galactic plane. This suggests that the total cosmic signal may have significant contributions from both components.

<p>This thesis is devoted to the study of neutrino physics in general and the study of neutrino mixing and oscillations in particular. In the standard model of particle physics, neutrinos are massless, and as a result, they do not mix or oscillate. However, many experimental results now seem to give evidence for neutrino oscillations, and thus, the standard model has to be extended in order to incorporate neutrino masses and mixing among different neutrino flavors.</p><p>When neutrinos propagate through matter, the neutrino mixing, and thus, also the neutrino oscillations, may be significantly altered. While the matter effects may be easily studied in a framework with only two neutrino flavors and constant matter density, we know that there exists (at least) three neutrino flavors and that the matter density of the Universe is far from constant. This thesis includes studies of three-flavor effects and a solution to the two-flavor neutrino oscillation problem in matter with an arbitrary density profile.</p><p>Furthermore, there have historically been attempts to describe the neutrino flavor transitions by other effects than neutrino oscillations. Even if these effects now seem to be disfavored as the leading mechanism, they may still give small corrections to the neutrino oscillation formulas. These effects may lead to erroneous determination of the fundamental neutrino oscillation parameters and are also studied in this thesis in form of damping factors.</p>

Ce mémoire présente principalement mes activités dans l'expérience Virgo de recherche d'ondes gravitationnelles.<br />Je rappelle cependant dans une courte introduction mes activités dans l'expérience NOMAD et je dresse, dans un premier chapitre,<br />un état des lieux sur la détection des neutrinos. Je décris ensuite, au chapitre 2, l'état actuel de la détection<br />interférométrique des ondes gravitationnelles. Le troisième chapitre, consacré à l'expérience Virgo, est suivi de<br />trois chapitres décrivant les domaines où j'ai apporté une contribution notable à l'expérience : le système d'acquisition<br />de données, la surveillance en ligne du détecteur et la recherche de bruits transitoires dans les données. Enfin,<br />le dernier chapitre, plus général, fait le bilan de mes activités de diffusion de la culture scientifique auprès<br />du grand public et auprès des scolaires.<br /><br />Virgo est un interféromètre de 3 km de long destiné à la détection des ondes gravitationnelles d'origine astrophysique.<br />Ces ondes sont des déformations de l'espace-temps prédites par la relativité générale. Elles provoquent sur Terre<br />d'infimes modifications des distances théoriquement détectables par interférométrie.<br /><br />J'ai contribué à la construction et à la mise en route (commissioning) de l'interféromètre Virgo, depuis 1997,<br />en participant à la conception, à la mise en place puis à l'amélioration de l'acquisition de données.<br />J'ai notamment créé le collecteur de données et fortement contribué au développement de la librairie<br />qui gère le transfert des données au format " frame " dans la chaîne d'acquisition. Cette librairie a permis<br />une grande souplesse des reconfigurations de l'acquisition de données ou des traitements en ligne tout<br />au long du commissioning de Virgo. L'acquisition de données soutient actuellement un flux d'environ 20 MBytes/s<br />(8 MBytes/s après compression) avec une latence moyenne de 2 secondes et une perte de données inférieure à 0.3%.<br /><br />J'ai d'autre part créé un logiciel, le dataDisplay, qui permet de lire les données en ligne ou en différé,<br />de visualiser divers graphiques (données en fonction du temps, spectre, fonction de cohérence, fonction de transfert,<br />distributions 1D ou 2D, spectrogrammes, etc...) et d'écouter les données. Ce logiciel utilise une interface graphique<br />générée par la librairie Xforms et une visualisation basée sur la librairie Root développée au CERN. Le dataDisplay<br />est aujourd'hui utilisé de façon standard par la collaboration Virgo, que ce soit en salle de contrôle pour la<br />surveillance en ligne du détecteur ou en différé pour l'analyse des données enregistrées.<br /><br />Je participe également à la mise en place de la qualification des données du détecteur Virgo, en fournissant notamment<br />les outils logiciels qui permettent de configurer de façon simple les algorithmes de surveillance en ligne du<br />détecteur et de son environnement. De plus, je contribue à la recherche de bruits transitoires (glitches) et j'ai<br />la responsabilité de la mise en lignes des algorithmes d'étude du bruit du détecteur. Ce travail est motivé par<br />le fait que la compréhension du détecteur est un préliminaire nécessaire à toute future recherche d'ondes gravitationnelles.<br /><br />Enfin, depuis de nombreuses années je me suis intéressé à la diffusion de la culture scientifique, et j'ai été, de 2002 à 2007,<br />chargé de communication au LAPP. Dans ce cadre, j'ai établi des contacts avec les établissements scolaires, les structures<br />associatives ou les collectivités locales afin de promouvoir la curiosité pour les sciences et la démarche scientifique.<br />Par divers moyens (conférences dans les lycées, organisation de visites de classes au LAPP s'appuyant sur la mise en place<br />d'une exposition permanente, conférences grand public, participation aux Portes Ouvertes du laboratoire, création de pages web...),<br />j'ai tenté d'intéresser le jeune public aux sciences, de faire comprendre ce qu'est la recherche scientifique et de montrer<br />quels sont ses liens avec la vie quotidienne.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l'angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l'étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d'oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d'effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d'installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l'effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l'expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l'expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l'étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d'interaction et partant l'efficacité de détection. L'étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l'expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d'améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s'expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d'observer la distorsion -- caractéristique de l'oscillation -- du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s'attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s'en prémunir sont enfin discutés.