Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'étude de la double désintégration bêta sans neutrinos joue un rôle important dans plusieurs questions en physique des particules et cosmologie. Ce processus nucléaire hypothétique viole la conservation du nombre leptonique par deux unités et jusqu'à présent il est le seule moyen pratique pour dévoiler la nature du neutrino : sa détection implique forcement que neutrino et antineutrino sont la même particule. En outre, le taux de décroissance est sensible à la masse efficace de Majorana du neutrino, du coup à l'échelle absolue des valeurs propres de la masse et leur hiérarchie. La marque expérimentale de la DDB0ν est un pic monochromatique dans le spectre énergétique de la somme des deux électrons émis. Le but des expériences de prochaine génération est une sensibilité sur la masse efficace du neutrino de l'ordre de dizaines de meV, c'est-à-dire demi-vies de l'ordre de 10²⁷-10²⁸ années : en pratique, il s'agit de construire des sources de quelques centaines de kg d'isotope candidat, au moins, et les sonder par des détecteurs très efficients, tout en gardant le bruit de fond dans la région énergétique d'intérêt au niveau d'un coup/tonne/an. Les bolomètres luminescents sont une technique prometteuse vu leur excellentes résolutions énergétiques, haute efficacité de détection, ample choix pour les matériaux et extensibilité modulaire à grande échelle; de plus, grâce à la détection simultanée de chaleur et lumière produites par l'interaction des particules, il est possible de discriminer les contaminations α, dangereuse source de bruit aux énergies d'intérêt pour plusieurs noyaux candidats à la DDB0ν. Cette thèse a été effectuée dans le contexte de l'expérience LUMINEU : une expérience pilote qui a pour but la construction d'une expérience de prochaine génération basée sur les bolomètres scintillants en molybdate de zinc, pour l'étude de l'isotope candidat ¹⁰⁰Mo. En vue de la construction d'une expérience à grande échelle, il est nécessaire d'effectuer des caractérisations systématiques pour s'assurer des performances et de la reproductibilité des détecteurs et leurs composantes. La disponibilité d'installations expérimentales en surface, facilement accessibles, est souhaitable pour des tests routiniers : j'ai mené la plupart des expériences au CSNSM, où j'ai aussi travaillé à l'installation d'un nouvel cryostat à dilution basé sur la technologie du Pulse-Tube. Une partie de ma thèse a concerné l'étude de détecteurs bolométriques de lumière aux absorbeurs en germanium et thermomètres NTD (thermistors Neutron Transmutation Doped) : une structure standard pour LUMINEU a été établie et on a mesuré les performances des bolomètres telles que sensibilité, résolution énergétique, bruit de base et reproductibilité. Les résultats sont satisfaisants en vue d'un emploi dans une expérience avec bolomètres scintillants, bien que la configuration soit très sensible à la microphonie. En outre, j'ai testé avec succès des détecteurs bolométriques de lumière exploitants l'effet Neganov-Luke, qui augmente le rapport signal-bruit au niveau compatible avec la détection de la lumière Cherenkov pour la discrimination des événements. Une autre partie a vu la caractérisation des bolomètres scintillants en molybdate de zinc avec masse allant jusqu'à environ 300 g : couplés aux capteurs de lumière susmentionnés et lus par thermistors NTD, ils ont été refroidis en surface au CSNSM et en endroit souterrain à Modane, dans l'installation de l'expérience EDELWEISS pour la Matière Noire. Grâce à la détection simultanée de lumière et chaleur, les interactions des particules β/γ sont séparées des contaminations α. Les résultats démontrent que la caractérisation de bolomètres massifs, presque la taille cible des détecteurs finaux, est possible même en surface, en dépit du rayonnement cosmique. En outre, ces tests ont permis d'optimiser la compatibilité de l'installation de Modane avec les exigences des bolomètres scintillants pour la recherche de la DDB0ν. / Neutrinoless Double Beta Decay (0νDBD) is regarded as an important key in the decryption of some hot astroparticle and cosmological enigmas: it violates lepton number by two units and it is currently the only known practical way to shed light on the neutrino nature, being possible only in case of a Majorana neutrino, identical to its antiparticle. Moreover, the 0νDBD rate is sensitive to the effective neutrino mass, so it would be useful to define the absolute neutrino mass scale and hierarchy. The experimental footprint of 0νDBD is a monochromatic peak in the sum energy spectrum of the two emitted electrons. Next-generation experiments aim at reaching a sensitivity on the effective neutrino mass of the order of ten meV, corresponding to half lives in the range 10²⁷-10²⁸ years: this means to be able to gather, at least, a few hundred kilograms of 0νDBD candidate isotope source and to efficiently scrutinize it with very sensitive detectors. Meanwhile, background levels in the energy region of interest of the 0νDBD signal should be lowered to less than one count/ton/y. Cryogenic luminescent bolometers are a promising technique for 0νDBD search, as they feature excellent energy resolutions, high detection efficiency, flexibility in the material choice and easy scalability to large modular experiments; furthermore, the simultaneous read-out of heat and light signals produced by particle interactions provides an active discrimination method against the dangerous α contaminations, populating the 0νDBD energy region of several interesting candidate isotopes. The work presented in this dissertation was carried out in the context of the LUMINEU project: a pilot experiment focused on zinc molybdate scintillating bolometers, to define the strategies for the construction of a next-generation experiment based on the 0νDBD candidate ¹⁰⁰Mo. In view of the construction of a large 0νDBD experiment, involving hundreds of modules, systematic cryogenic measurements have to be performed to ensure good performance and reproducibility of the detectors and their components. Aboveground facilities are preferred for routinary tests because of their easier accessibility: most of the tests were carried out at CSNSM, where I also worked on the setup of a new cryogenic apparatus, based on the Pulse-Tube technology. One part of my thesis work saw the study of bolometric light detectors based on germanium absorbers and Neutron Transmutation Doped (NTD) thermometers: a proper design was developed in view of LUMINEU and the devices were characterized in terms of sensitivity, energy resolution, baseline noise and reproducibility. The results are compatible with a 0νDBD search final experiment, though this detector configuration is very sensitive to vibrational noise. In addition, the feasibility of bolometric light detectors based on NTD thermometers and Neganov-Luke amplification was investigated, demonstrating that this technique can actually boost the signal-to-noise gain to a level compatible with event discrimination based on Cherenkov light detection. Another part of my work dealt with the test of scintillating zinc molybdate bolometers of mass up to ~300 g, coupled to the aforementioned light detectors and operated both in the aboveground facilities at CSNSM and underground at Modane, in the cryostat of the EDELWEISS Dark Matter search experiment. Good event discrimination capability was achieved: thanks to double read-out of heat and light, it is possible to identify α particles, the threatening background for 0νDBD interests, against β/γ interactions. The results proved the possibility to pre-characterize aboveground detectors of mass close to the one of a final experiment module, despite the high cosmic rays rates. Besides, the measurements opened the way to the mutual compatibility of the underground setup, conceived for another kind of experiment, and LUMINEU 0νDBD search detectors.

One of the primary targets of current and especially future cosmological observations are light thermal relics of the hot big bang. Within the Standard Model of particle physics, an important thermal relic are cosmic neutrinos, while many interesting extensions of the Standard Model predict new light particles which are even more weakly coupled to ordinary matter and therefore hard to detect in terrestrial experiments. On the other hand, these elusive particles may be produced efficiently in the early universe and their gravitational influence could be detectable in cosmological observables. In this thesis, we describe how measurements of the cosmic microwave background (CMB) and the large-scale structure (LSS) of the universe can shed new light on the properties of neutrinos and on the possible existence of other light relics. These cosmological observations are remarkably sensitive to the amount of radiation in the early universe, partly because free-streaming species such as neutrinos imprint a small phase shift in the baryon acoustic oscillations (BAO) which we study in detail in the CMB and LSS power spectra. Building on this analytic understanding, we provide further evidence for the cosmic neutrino background by independently confirming its free-streaming nature in different, currently available datasets. In particular, we propose and establish a new analysis of the BAO spectrum beyond its use as a standard ruler, resulting in the first measurement of this imprint of neutrinos in the clustering of galaxies. Future cosmological surveys, such as the next generation of CMB experiments (CMB-S4), have the potential to measure the energy density of relativistic species at the sub-percent level and will therefore be capable of probing physics beyond the Standard Model. We demonstrate how this improvement in sensitivity can indeed be achieved and present an observational target which would allow the detection of any extra light particle that has ever been in thermal equilibrium. Interestingly, even the absence of a detection would result in new insights by providing constraints on the couplings to the Standard Model. As an example, we show that existing bounds on additional scalar particles, such as axions, may be surpassed by orders of magnitude.

NOMAD est une expérience de recherche des oscillations de neutrinos nu_mu -> nu_tau et nu_mu -> nu_e, placée dans le faisceau de nu_mu du SPS du CERN. L'intérêt de cette<br />recherche est lié aux problêmes des masses des neutrinos et des mélanges de<br />saveurs.<br />Cette thèse décrit une recherche des oscillations nu_mu -> nu_e fondée sur l'ensemble<br />des données de NOMAD accumulées durant les quatre années (1995-1998) de<br />son fonctionnement. La recherche de l'apparition des nu_e est faite en utilisant les<br />interactions courant chargée (CC) dans le détecteur NOMAD. La sélection des<br />interactions nu_e CC et nu_mu CC à l'aide de différents algorithmes d'identification<br />des particules dans les sous-détecteurs de NOMAD ainsi qu'à l'aide de critère<br />cinématique d'événement est étudiée ici en détail.<br />Nous montrons que NOMAD est sensible à la région des paramètres des oscillations nu_mu -> nu_e favorisée par l'expérience LSND pour les différences de masses<br />au carrée supérieures à 10 eV2/c4.<br />L'analyse étant faite "en aveugle" et l'étude des systématiques liées au faisceau se poursuivant dans la collaboration, seule une fraction des données de<br />NOMAD, l'échantillon de contrôle, a pu être utilisé pour déduire la limite supérieure de la probabilit d'oscillation nu_mu -> nu_e.

Le champ magnétique est un ingrédient physique parmi les plus communs dans les environnements astrophysiques. Bien qu'il ait été étudié depuis de nombreuses décennies, certains de ses domaines d'application sont encore mystérieux, en particulier celui qui est associé à la turbulence magnétique. Ce phénomène apparaît dans des problèmes encore non résolus à ce jour. Le sujet de cette thèse porte sur l'étude de cette turbulence dans les disques d'accrétion magnétisés et képlériens lançant des jets, ainsi que sur ses effets sur le transport des rayons cosmiques. La première partie de cette thèse montre que les disques d'accrétion magnétisés képlériens soumis à une turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peuvent être le siège d'une production stationnaire de jets MHD de matière sous certaines conditions. L'ajout des effets dus à la viscosité du plasma ainsi que l'implémentation d'une équation d'énergie modélisant une couronne chauffante sont les points clés de cette première partie. J'ai en particulier montré à la fois analytiquement et numériquement que le rapport entre couple de freinage magnétique et visqueux était contraint par les propriétés de la turbulence MHD. J'ai aussi montré que la prise en compte plus fine de l'équation d'énergie était nécessaire pour une description plus fidèle des jets observés dans l'Univers. Cette équation fait intervenir nombres de processus de chauffages et de transport d'énergie dont la prise en compte dans l'approximation fluide n'est pas possible. J'insiste, dans cette première partie, sur la necessité d'une approche cinétique de ces phénomènes afin de pouvoir mieux les décrire macroscopiquement. C'est cette étude qui a motivé la suite de ma thèse. Afin de mieux connaître les influences de la turbulence magnétique sur le transport de particules chargées, j'ai entrepris une étude sur la diffusion spatiale et angulaire des hadrons avec un champ magnétique chaotique dont la distribution spectrale en loi de puissance peut être reliée à celle qu'engendrerait une turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir des réponses nouvelles sur des régimes de diffusion dans des domaines de turbulence encore jamais étudiés. En particulier, j'ai montré que les coefficients de diffusion spatiale parallèle au champ magnétique à grande échelle ainsi que le coefficient de diffusion angulaire suivaient un comportement dans le domaine de résonance extrapolant celui prédit par la théorie quasi-linéaire dans le cas de la très faible turbulence. A l'opposé, le coefficient de diffusion perpendiculaire suit un comportement, dans ce même domaine, non prédit par la théorie quasi-linéaire. Ce régime est assimilable à un régime de diffusion anormale amplifiée par la présence de chaos magnétique. De plus, en dehors du domaine de résonance avec le chaos, les comportements de tous ces coefficents sont différents de ceux attendus. Enfin, l'existence d'un régime de diffusion de Bohm n'a pas été démontrée quelque soit le niveau de chaos magnetique

Les théories de grande unification (GUT) impliquent des transitions de phase dans l'Univers primordial, qui pourraient donner naissance à des défauts topologiques, parmi lesquels on trouve des monopôles magnétiques. Les principales caractéristiques de ces monopôles sont présentées, notamment leurs pertes d'énergie dans la matière et les limites sur leur flux. Les télescopes à neutrinos de haute énergie offrent une nouvelle opportunité pour leur recherche. L'étude du traitement des impulsions des photomultiplicateurs par l'électronique de lecture du détecteur Antares indique que celle-ci est bien adaptée aux besoins du télescope. L'analyse détaillée des impulsions permet d'obtenir une précision finale sur la mesure temporelle inférieure à 0.6 ns et le bruit électronique et la saturation ont peu d'effet sur les performances du télescope. Les monopôles relativistes émettent une grande quantité de lumière qui conduit à une surface effective de détection pour le télescope Antares allant de 0.06 km2 pour des vitesses beta_mon = 0.6, à 0.35 km2 pour des vitesses beta_mon ~ 1. La trace des monopôles est bien reconstruite et la détermination de leur vitesse est faite avec une erreur inférieure à quelques pourcents, ce qui constitue un élément déterminant pour le rejet du bruit de fond causé par les muons de haute énergie, de vitesse beta_mu ~ 1. L'émission lumineuse très dispersée des monopôles en dessous de la limite Tcherenkov, 0.6 < beta_mon < 0.74, via les delta-électrons d'ionisation, ne permet pas une caractérisation précise du signal attendu et le rejet des muons mal reconstruits doit être amélioré. Au delà de la limite Tcherenkov, beta_mon > 0.8, les muons mal reconstruits peuvent être rejetés grâce à la paramétrisation de l'émission Tcherenkov. Le signal d'un monopôle magnétique se distingue alors clairement du bruit de fond.

Le détecteur MUNU, destiné à l'étude de la diffusion neutrino sur électron à l'aide des antineutrinos émis par un réacteur nucléaire, est constitué d'une chambre à projection temporelle (TPC) contenant du gaz CF4. L'objectif de la thèse était de déterminer si un détecteur basé sur le même principe pouvait être envisagé pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos solaires de basse énergie. Pour cette étude, trois aspects étaient essentiels : la résolution en énergie, la résolution angulaire et le bruit de fond du détecteur. Les deux premiers car l'énergie du neutrino est reconstituée à partir de l'énergie et de la direction initiale de l'électron de recul. Le troisième car le faible nombre d'interactions attendu impose un niveau de bruit de fond très bas. Dans un premier temps, une revue détaillée de la physique des neutrinos solaires du point de vue théorique mais aussi expérimental est réalisée puis les caractéristiques du détecteur MUNU et son principe de fonctionnement sont exposés. Ensuite, les performances du détecteur sont abordées successivement : les méthodes d'étalonnage en énergie développées et la résolution en énergie qui en découle ; la détermination de la direction initiale des électrons et la résolution angulaire associée ; et enfin les différentes sources de bruit de fond rencontrées ainsi que les taux d'événements induits. Finalement, les résultats de la simulation de la détection des neutrinos solaires sont présentés. Ils mettent en évidence les améliorations nécessaires et les points exigeant des études supplémentaires.

Le détecteur Nemo3 a été conçu pour étudier la double désintégration bêta, et notamment, le processus sans émission de neutrino ( bb0v). Toutefois, la quantité de 100Mo présente dans le détecteur (7 kg) permet aussi une mesure compétitive de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ( bb2v) du 100Mo vers l'état excité 0+1 du 100Ru (canal eeNy). Ledit processus et les sources de bruit de fond attendues ont d'abord fait l'objet 'études par simulations Monte-Carlo, a n d'estimer ensuite leurs contributions respectives à l'ensemble des données expérimentales de Nemo3 (2003-2011). Celles-ci ont été analysées : la demi-vie du processus bb2v a pu être mesurée et une limite inférieure sur la demi-vie du processus bb0v établie. Par ailleurs, l'expérience SuperNEMO, successeur de Nemo3, vise à atteindre une sensibilité de 1026 années sur la demi-vie du processus bb0v. Aussi, la radiopureté des feuilles sources de SuperNEMO est soumise à des contraintes que ne permettent pas de mesurer les méthodes usuelles de spectrométrie y : 2 µBq.kg-1 en 208Tl et 10 µBq.kg-1 en 214Bi. C'est pourquoi un détecteur dédié, BiPo, a été développé pour mesurer les contaminations en 208Tl et en 214Bi des feuilles sources de SuperNEMO, par détection de la chaîne b-alpha de décroissance Bi->Po->Pb. Après avoir validé le principe de mesure, la contamination intrinsèque au détecteur a été mesurée. Extrapolée à un détecteur BiPo final de 3:6m2, ce dernier permettra de mesurer les contaminations des feuilles sources de SuperNEMO en 208Tl et en 214Bi, en six mois de mesure, avec la sensibilité requise.

The Standard Model of particle physics successfully describes present collider data. Nevertheless, theoretical and cosmological results call for its extension. A softly broken supersymmetric completion around the TeV scale solves several of the outstanding issues. Supersymmetry requires two Higgs doublets, leading to five physical Higgs states. These include a pair of charged Higgs bosons H±, which are a generic feature of theories with multiple Higgs doublets. Using results from high-energy colliders and flavour physics, constraints are derived on the charged Higgs boson mass and couplings; both for constrained scenarios in the minimal supersymmetric standard model (MSSM) with grand unification, and for general two-Higgs-doublet models. The MSSM results are compared to the projected reach for charged Higgs searches at the Large Hadron Collider (LHC). At the LHC, a light charged Higgs is accessible through top quark decay. Beyond a discovery, it is demonstrated how angular distributions sensitive to top quark spin correlations can be used to determine the structure of the H±tb coupling. The public code 2HDMC, which performs calculations in a general, CP-conserving, two-Higgs-doublet model, is introduced. In parallel to the developments at colliders, the most energetic particles ever recorded are the ultra-high-energy (UHE) cosmic rays. To gain more insight into their origin, new experiments are searching for UHE neutrinos. These searches require detectors of vast volume, which can be achieved by searching for coherent radio pulses arising from the Askaryan effect. The prospects of using a satellite orbiting the Moon to search for neutrino interactions are investigated, and a similar study for an Earth-based radio telescope is presented. In both cases, the method is found competitive for detection of the very highest energy neutrinos considered.

Dans la premi ère partie de cette th èse, je pr ésenterai le 5D MSSM qui est un mod èle supersym étrique avec une dimension suppl émentaire. (Five Dimensional Minimal Supersymmetric Standard Model). Apr ès compactication sur l'orbifold S1=Z2, le calcul des equations du groupe de renormalisation (RGE) a une boucle montre un changement dans l' évolution des param ètres ph énom énologiques. D es que l' énergie E = 1=R est atteinte, les états de Kaluza-Klein interviennent et donnent des contributions importantes. Plusieurs possibilit és pour les champs de mati ère sont discut és : ils peuvent se propager dans le "bulk" ou ils sont localis és sur la "brane". Je pr ésenterai d'une part l' évolution des équations de Yukawa dans le secteur des quarks ainsi que les param ètres de la matrice CKM, d'autre part, les e ffets de ce mod èle sur le secteur des neutrinos notamment les masses, les angles de m élange, les phases de Majorana et de Dirac. Dans la deuxi ème partie, je parlerai du mod èle AMSB et ses extensions (MM-AMSB et HC-AMSB). Ces mod èles sont des sc enarios de brisure assez bien motiv es en supersym étrie. En calculant des observables issues de la physique des particules puis en imposant des contraintes de cosmologie standard et alternative sur ces sc enarios, j'ai d étermin e les r égions qui respectent les contraintes de la mati ère noire et les limites de la physique des saveurs. Je reprendrai ensuite l'analyse de ces mod èles en utilisant de nouvelles limites pour les observables. La nouvelle analyse est faite en ajoutant les mesures r écentes sur la masse du Higgs et les rapports de branchement pour plusieurs canaux de d ésint égrations.