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Thesis (MTech (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2018. / In this research, we undertake a numerical study of the interaction between laser beams and two as well as multi-level atoms. The main aim of this research is to obtain a deeper understanding of laser-atom interactions and non-linear processes such as optical four-wave mixing. This work will supplement experiments to be conducted by other members of the group, who are involved in generating entangled photons via four-wave mixing in cold rubidium atoms. We begin by performing a basic study of the interaction between laser beams and two-level atoms as an aid to gain knowledge of numerical techniques, as well as an understanding of the physics behind light-atom interactions. We make use of a semi-classical approach to describe the system where the atoms are treated quantum mechanically and the laser beams are treated classically. We study the interaction between atoms and laser beams using the density matrix operator and Maxwell's equations respectively. By solving the optical Bloch equations for two-level atoms we examine the atomic populations and coherences and present plots of the density matrix elements as a function of time. The e ects of various parameters such as laser intensity, detuning and laser modulation have been tested. The behaviour of the laser beam as it propagates through the atomic sample is also studied. This is determined by Maxwell's equation where the atomic polarization is estimated from the coherence terms of the density matrix elements. / French South African Institute of Technology National Research Foundation

Dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules, les constituants élémentaires de la matière identifiés à ce jour sont les quarks et les gluons, génériquement appelés partons et soumis à l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (QCD). Si les partons sont confinés dans les hadrons sous des conditions normales de température et de densité, l'existence d'un état déconfiné, le plasma de quarks et de gluons (QGP), a été prédite par la QCD pour des conditions thermodynamiques extrêmes. Cet état de la matière peut être atteint dans le cadre de collisions d'ions lourds ultrarelativistes telles qu'en produit le grand collisionneur de hadrons du CERN (LHC), et sondé à l'aide de multiples observables auxquelles peut accéder l'expérience ALICE en particulier. Les photons prompts, issus de processus partoniques de haute énergie, constituent à ce titre une sonde privilégiée de la matière hadronique. Insensibles à l'interaction forte, ils peuvent traverser le milieu déconfiné en conservant les informations primaires d'une collision et représentent ainsi une référence précieuse a priori non affectée par le QGP. Ces photons peuvent être identifiés à l'aide de techniques de calorimétrie électromagnétique et d'isolement. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, la production de photons isolés a été mesurée dans des collisions proton-proton et proton-plomb avec l'expérience ALICE. Les résultats obtenus sont compatibles avec des prédictions de QCD, y compris dans un régime cinématique inexploré jusqu'alors par cette observable. / In the Standard Model of particle physics, elementary constituents of matter identified to date are quarks and gluons, generically called partons and obeying the strong interaction described by quantum chromodynamics (QCD). While partons are confined in hadrons under standard temperature and density conditions, the existence of a deconfined state, quark-gluon plasma (QGP), has been predicted by QCD for extreme thermodynamic conditions. This state of matter can be reached in ultrarelativistic heavy-ion collisions such as produced at the CERN Large Hadron Collider (LHC) and can be probed with many observables accessible to the ALICE experiment in particular. Prompt photons, emitted by high-energy partonic processes, constitute a key probe of hadronic matter. Insensitive to the strong interaction they can traverse the deconfined medium preserving primary information about a collision, and thus represent a valuable reference not affected by QGP a priori. These photons can be identified with electromagnetic calorimetry and isolation techniques. Within this doctoral thesis, the isolated photon production has been measured in proton-proton and proton-lead collisions with the ALICE experiment. The results are in agreement with QCD predictions, including in a kinematic range unexplored by this observable thus far.

This thesis describes the design, fabrication, and characterization of the Implantable Fluorescence Imager (IFI): a camera chip with a needle-like form factor designed for imaging neuronal activity in the deep brain. It is fabricated with a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process, allowing for hundreds or thousands of single- photon-sensitive photodetectors to be densely packed onto a device width comparable to a single-channel fiber optic cannula (~100 μm). The IFI uses a combination of spectral and temporal filters as a fluorescence emission filter, and per-pixel Talbot gratings for 3D light-field imaging. The IFI has the potential to overcome the imaging depth limit of multi-photon microscopes imposed by the scattering and absorption of photons in brain tissue, and the resolution limit of noninvasive imaging techniques, such as functional magnetic resonance imaging and photoacoustic imaging. It competes with graded index lens-based miniaturized microscopes in imaging depth, but offers several comparative advantages. First, its cross sectional area is at least an order of magnitude smaller for an equal field of view. Second, the distribution of pixels along its entire length allows the study of multi- layer or multi-region dynamics. Finally, the scalability advantage of silicon integrated circuit technology in system miniaturization and data bandwidth may allow thousands of such imaging shanks to be simultaneously deployed for large-scale volumetric recording.

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A measurement of the differential cross section has been performed for the photodisintegration of ⁴He into a proton plus a triton. This reaction is highly sensitive to the electromagnetic currents in the nucleus which arise from the exchange of mesons between nucleons. The study of light nuclei such as ⁴He, whose nucleonic structure is the simplest, holds the promise of perfecting a microscopic theory of nuclear dynamics, in which nuclear structure and reactions are understood in terms of fundamental particle interactions. The measurement was performed with a tagged-photon beam, using a large solid-angle charged particle detector developed for this and other similar experiments. The measurement was performed within the photon energy range between 63 and 71 MeV, and divided into four energy bins of 2 MeV each. The measurement of the differential cross section was confined to the angular range 36°-141° in the center-of-mass reference frame. The total cross section was determined to within a total uncertainty of 5%. The angular distribution was fitted to an expansion of Legendre polynomials in cos <i>θ</i> including terms of order 0-3. This measurement is in agreement with a previous measurement, and improves on the precision of the total cross section from the previous measurement by a factor of 6. A comparison is made with several theoretical calculations, and a qualitative agreement is found. These data suggest refinements to these calculations, in order to account for the quantitative differences. / Ph. D.

On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée. Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique.

Ce travail présente les mesures de section efficace de production de photons isoles dans les collisions proton-proton avec l’expérience ATLAS au LHC, a une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les résultats sont d’abord obtenus pour une luminosité intégrée de 880 nb−1, puis dans un deuxième temps pour une luminosité de 36 pb−1. Les mesures faites avec 880 nb−1 et 36 pb−1 couvrent, respectivement, les intervalles en énergie transverse 15 ≤ E < 100 GeV et 45 ≤ E < 400 GeV. Les résultats sont compares aux prédictions de la chromodynamique quantique perturbative à l’ordre NLO. Les premières études pour la recherche du Higgs dans le canal de désintégration en deux photons sont également présentées pour 38 pb−1 de données collectées par l’expérience ATLAS en 2010 (et plus récemment pour 210 pb−1 accumules en 2011). Les limites d’exclusion observées sont citées en fonction d’une masse de Higgs se situant dans l’intervalle 110-140 GeV. / This work presents the measurements with the ATLAS experiment of the cross section for inclusive production of isolated prompt photons in proton-proton collisions at a centre-ofmass energy √s = 7 TeV. The first results are based on an integrated luminosity of 880 nb−1 and the later results are based on 36 pb−1, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements performed with 880 nb−1 and 36 pb−1 cover the transverse energy range 15 ≤ E < 100 GeV and 45 ≤ E < 400 GeV, respectively.The results are compared to predictions from next-to-leading order perturbative QCD calculations. In addition, are also presented the first studies for the search for the Higgs boson in the decay channel into two photons with 38 pb−1 data collected by the ATLAS experiment in 2010 (and more recently with 210 pb−1 collected in 2011). Observed exclusion limits are quoted as a function of the Higgs mass in the range 110-140 GeV.

Le sujet de ce mémoire est l'étude de mesures Quantiques Non-Destructives (mesures QND) en Optique. Nous montrons, théoriquement et expérimentalement, qu'une telle mesure peut être réalisée en couplant deux faisceaux lumineux dans un milieu non-linéaire, ici une transition à deux photons dans un jet atomique de sodium. Le principe fondamental est d'utiliser une modulation de phase croisée (effet Kerr croisé) : les fluctuations quantiques d'intensité d'un faisceau laser, choisi comme "signal", peuvent alors être transférées nondestructivement sur les fluctuations de phase d'un autre faisceau, choisi comme "mesure". La perturbation due à la mesure apparaît sur le signal, sous la forme d'une augmentation de son bruit de phase. Afin d'augmenter le couplage entre les deux faisceaux, le milieu non-linéaire est placé dans une cavité optique. Cette configuration joue également le rôle de détection interféromètrique, permettant la mesure de l'information apparue sur les fluctuations de phase du faisceau de mesure. La mesure QND peut être caractérisée à l'aide de paramètres simples, directement mesurables. Les résultats obtenus expérimentalement montrent une amélioration fondamentale, par rapport aux performances de tout coupleur standard, tel qu'une simple lame semitransparente. Enfin, nous présentons une analyse d'un bistable à deux photons, couplant deux modes distincts du champ. Les résultats expérimentaux sont comparés avec le moàèle correspondant à la modulation de phase croisée, ainsi qu'A une solution numérique de l'interaction entre les champs intra-cavité et les atomes à trois niveaux, décntes par les Equations de Bloch Optiques. Nous montrons théoriquement qu'un tel système permet de prédire plusieurs effets de réduction des fluctuations quantiques.

La recherche d'un boson de Higgs léger dans le canal H --> gamma gamma dans l'expérience ATLAS nécessite d'excellentes performances du calorimètre électromagnétique et une bonne compréhension des bruits de fond. Ce travail de thèse s'articule donc autour de deux points. Le premier concerne le fonctionnement et les performances du calorimètre électromagnétique. D'abord, des développements sont apportés au code de reconstruction online des calorimètres à Argon liquide, et ses algorithmes sont validés, ce qui inclut un contrôle des données en ligne. Ensuite, deux mesures indépendantes de l'uniformité du calorimètre électromagnétique tonneau sont réalisées, l'une avec les muons cosmiques et portant sur une couverture effective d'environ 20% du calorimètre, et l'autre avec les événements pi0 --> gamma gamma dans les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV, avec une luminosité intégrée de L = 414.8 μb−1. La mesure sur les muons montre que les non-uniformités dans la direction eta sont inférieures à 1.0% dans le compartiment milieu et 1.7% dans le compartiment avant, à 95% de niveau de confiance. Avec les pi0, ces résultats sont améliorés et aboutissent à une dispersion de la réponse entre données et simulation inférieure à 0.7% dans les trois cryostats (tonneaux et bouchons), ce qui est au niveau des performances attendues au démarrage. Le deuxième axe de cette thèse concerne l'extraction de paires non-résonnantes de photons. Deux méthodes sont présentées. La première est une double mesure de pureté utilisant une extrapolation du bruit de fond à partir de régions enrichies en bruit de fond vers une région de signal. La seconde méthode est basée sur une matrice d'efficacités de taille 4x4, entièrement déterminée par la simulation et appliquée événement par événement. Ces méthodes sont appliquées aux données de collision, correspondant à une luminosité intégrée de L = 2.82 pb−1. Un signal di-photons direct de 108.6 ± 19.5 (stat.) ± 34.5 (syst.) avec une pureté de (65.1 ± 8.6 (stat.) ± 8.7 (syst.))% est extrait.