OPERA stands for Oscillation Project with Emulsion t-Racking Apparatus. The main goal of the OPERA experiment is to search for tau neutrino appearance in almost pure muon neutrino beam. The detector is located at Gran Sasso, 730 km away from the neutrino source, at CERN. In this thesis, the reconstruction efficiency and purity of neutrino interactions in the OPERA target have been studied by using Monte Carlo simulation. The efficiency of primary vertex reconstruction for muon neutrino Charge Current (CC) events is estimated as 83.2 percent. The main source of inefficiency is due to Quasi-elastic like topologies in which only one track is reconstructed. The purity of primary vertex tracks is found to be 99 percent. On the other hand, the reconstruction efficiency for muon neutrino CC charm events is estimated to be 90.2 percent, while the purity of the primary tracks is 67 percent. The low purity is due the fact that the secondary vertex tracks are wrongly assigned in the primary vertex. This spoils the purity.

Particle physics experiments with low event rates highly depend on background suppression methods. Neutron component of the ambient background radiation is especially problematic since neutrons are difficult to shield directly. TEXONO collaboration has employed a hybrid neutron detector composed of two different scintillating materials to measure the neutron background directly in the Kuo-Sheng Neutrino Laboratory. Detector is operated after calibration and optimization studies and from collected data, neutron flux is obtained using computational methods.

The study is mainly focused on Monte Carlo simulation of carbon fragmentation in nuclear emulsion. The carbon ion is selected as a remarkable candidate for the cancer therapy usages due to its high efficiency in depositing majority of its energy in the narrow region which is called Bragg Peak. On the other hand, the main side effect of heavy-ion therapy is the radiation dose beyond the Bragg Peak which damages the healthy tissues. Therefore the use of heavy-ion in cancer therapy requires accurate understanding of ion-matter interactions which result in the production of secondary particles. A Geant4 based simulation of carbon fragmentation has been done considering 400 MeV/n carbon beam directed to the detector which is made of nuclear emulsion films, interleaved with lexan layers. Four different models in Geant4 are compared with recent real data. Among the four different models, Binary Cascade Model (BIC) shows a better agreement with real data.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés de guidage des polaritons-plasmons de surface (vitesse de groupe, couplage radiatif, absorption) dans des cristaux plasmoniques 1D et 2D constitués de films métalliques percés d'ouvertures nanométriques périodiques (fentes ou trous). Nous avons développé un banc de mesures optiques (transmission et réflexion) sur un large domaine angulaire (0 − 60°) et spectral (1-16 μm). Il permet d'obtenir les diagrammes de dispersion des modes de surface avec une haute résolution (±0.3°, 0.5 cm−1). <br /><br />Dans les cristaux plasmoniques 1D, nous montrons une modulation des pertes radiatives due au couplage des plasmons de surface se propageant le long des interfaces air/métal et substrat/métal. Il en résulte deux régimes de propagation : un régime radiatif présentant une absorption négligeable, et un régime faible perte très peu couplé à l'espace libre. De plus nous montrons qu'une faible variation de l'indice du substrat (1%) permet de passer d'un régime de propagation à un autre et ouvre la voie à un contrôle externe des couplages radiatifs et non radiatifs des modes guidés.<br /><br />Nous présentons également les propriétés dispersives des plasmons de surface excités sur les interfaces de cristaux plasmoniques 2D anisotropes ayant des périodes différentes selon ses deux axes de symétrie. Nous montrons l'existence d'une bande interdite loin des bords de la zone de Brillouin, et mettant en jeu un couplage entre trois plasmons de surface se propageant dans des directions quasi-orthogonales. Un des modes couplés présente un fort couplage radiatif et une faible vitesse de groupe.

Nous avons étudié par micro-spectroscopie des boîtes quantiques de semiconducteurs II-VI contenant une impureté magnétique individuelle (atome de Mn). L'émission optique de ces systèmes est régie par les interactions entre les porteurs confinés et le spin Mn. Des expériences de magnéto-optique ont permis de déterminer les différents paramètres contrôlant ces interactions. L'analyse du spectre d'émission de certaines de ces boîtes quantiques magnétiques permet de détecter directement l'état de spin de l'impureté magnétique. Les conditions de cette détection sont fortement influencées par une anisotropie de forme de la boîte quantique étudiée ou la présence d'un champ de contraintes inhomogène dans l'échantillon. Les effets de ces phénomènes sur les propriétés optiques des boîtes ont été analysés en détail. Nous nous sommes également consacrés à l'étude des différents états de charges des boîtes quantiques magnétiques. Celle-ci révèle la possibilité de contrôler électriquement ou optiquement l'anisotropie magnétique de systèmes magnétiques nanoscopiques. Enfin, nous avons abordé l'étude de la dynamique de spin dans ces systèmes. Les fluctuations temporelles d'un spin individuel ont été mises en évidence en analysant la statistique des photons émis par une boîte quantique.

Nous nous intéressons à l'effet des fonds d'ondes gravitationnelles sur la polarisation de la lumière et aux conséquences induites sur des systèmes dans lesquels l'information est portée par la polarisation de photons. A cet effet, nous construisons l'approximation eikonale sur un espace courbe et étudions l'évolution des objets obtenus dans un bain d'ondes gravitationnelles. Nous développons alors un formalisme géométrique permettant de construire efficacement les observables physiques associées à un système optique, puis d'exprimer et d'évaluer ces observables en fonction des perturbations gravitationnelles. Nous montrons ainsi que pour des dispositifs de type EPR où l'évolution de la phase n'affecte pas les mesures, l'effet des ondes gravitationnelles sur les polarisations des photons est trop faible pour détruire les corrélations ce qui garantit la possibilité d'utiliser des corrélations EPR dans le cadre de communications spatiales.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'oscillation paramétrique optique et des corrélations quantiques dans des microcavités planaires de semiconducteurs.<br />Dans ces systèmes, un couplage fort lumière-matière conduit à l'apparition de nouveaux états propres qui sont des états mixtes exciton-photon, les polaritons de microcavité. Des effets non-linéaires comme l'oscillation paramétrique optique deviennent possibles. Cependant, certaines limitations existent pour d'éventuelles applications en optique quantique: la nécessité du couplage fort (température de fonctionnement limitée) et l'injection de la pompe à un angle particulier (injection électrique impossible).<br />Nous nous intéressons à des structures qui contournent ces difficultés: <br />- microcavités gravées en fils photoniques où la quantification du champ électrique conduit à un multiplet de modes de polaritons en couplage fort ;<br />- structures originales de microcavités triples où le couplage optique intercavités fournit naturellement une résonance triple pour les fréquences paramétriques. <br />Nous mettons en évidence par des expériences de spectroscopie résolue en angle des processus paramétriques interbranches adaptés à une injection électrique. La pompe excite sous incidence normale les échantillons et les faisceaux signal et complémentaire peuvent être collectés à 0 degré ou à des angles opposés. La contrainte du couplage fort, i.e. de la température, disparaît dans la microcavité triple.<br />Enfin, nous étudions la configuration où signal et complémentaire sont séparés spatialement et équilibrés en intensité. Nous démontrons par des mesures de bruit quantique que ces deux faisceaux sont corrélés quantiquement.

La constante de Rydberg $\ R_\infty = \alpha^2 m_{ e} c^2/2hc \$ est déduite d'une comparaison théorie - expérience très précise sur l'atome d'hydrogène. Les derniers calculs d'électrodynamique quantique menés de différentes façons donnent des résultats similaires validant ainsi l'exactitude des termes calculés. Les écarts entre niveaux de l'atome d'hydrogène sont maintenant très bien connus grâce aux mesures faites en unité de fréquence. Ainsi la constante de Rydberg fait partie des constantes fondamentales les mieux déterminées $\Delta R_\infty / R_\infty = 6.6 10^{-12}$. Cependant pour que la comparaison soit complète, il faut connaître indépendamment la valeur de la distribution de charge du proton. Ceci peut être réalisé via une expérience sur l'hydrogène muonique (dans cet atome exotique, l'électron est remplacé par un muon). Après une introduction sur la comparaison théorie - expérience pour l'atome d'hydrogène, les derniers développements de l'expérience sur l'hydrogène muonique sont présentés.<br /><br />La mesure du recul induit par un photon sur un atome de masse M conduit à une détermination pertinente de la constante de structure fine $\alpha$ en utilisant la constante de Rydberg, et les rapports des masses de l'électron, du proton, de l'atome considéré. Dans cet optique, nous avons développé une nouvelle expérience d'oscillations de Bloch avec des atomes de rubidium ultra-froids. Le principe de l'expérience est exposé brièvement tout en insistant sur l'originalité de notre approche. Les premiers résultats métrologiques obtenus très récemment sont présentés.

Les différents mécanismes d'ionisation dissociative consécutifs à la collision entre un ion projectile multichargé (S15+ 13.6 MeV/u) et la molécule D2, ont été étudiés à partir des corrélations vectorielles entre les vecteurs impulsions de fragments D+ et d'électrons produits. Le travail a donc dans un premier temps consisté à développer un dispositif expérimental capable de détecter en coïncidence toutes les particules chargées produites lors d'une collision. La mesure de leur vecteur impulsion, qui permet d'accéder à leur énergie cinétique et leur direction d'émission initiale par rapport à celle du faisceau, combine les techniques de temps de vol et de localisation. La corrélation entre les énergies cinétiques des fragments et des électrons produits permet d'une part de déterminer la contribution de chacun des mécanismes d'ionisation dissociative au processus global d'ionisation, et d'autre part de séparer sans ambiguïté les distributions d'énergie cinétique des fragments D+ correspondant à chacun de ces mécanismes. Enfin, l'analyse spatiale des corrélations vectorielles conduit aux distributions angulaires d'émission électronique par rapport à la direction du faisceau, pour une orientation de l'axe de la molécule et une énergie de l'électron données. Les distributions mesurées sont comparées à celles obtenues par le modèle théorique CDW-EIS.

Dans l'industrie nucléaire, les peintures murales doivent être décontaminées à la fin de vie des installations ou lors d'opération de maintenance. L'ablation par laser de la peinture permet de réduire considérablement le volume de déchets engendrés lors de l'opération, par rapport aux techniques actuelles. <br />Les peintures sont constituées d'une base polymérique dans laquelle des charges et des pigments sont inclus. Le dépôt d'énergie du faisceau laser dans ce milieu diffusant est étudié à l'aide d'un modèle de diffusion multiple, et de mesures de réflexion / transmission de faisceau à travers des couches minces.<br />L'ablation des peintures est analysée avec plusieurs lasers Nd : YAG et un laser TEA-CO2, permettant de faire varier la fluence, la longueur d'onde, la durée de l'impulsion, la cadence de tir et le nombre de tirs appliqué. Des bancs optiques ont été réalisés, et des tests paramétriques permettent de définir les paramètres optimaux de l'ablation, en terme d'efficacité de l'ablation.<br />L'ablation à haute cadence de tir est étudiée à l'aide d'un pyromètre optique et d'un modèle thermique spécifiquement développé. Les mesures et la modélisation permettent de mettre en évidence l'accumulation de chaleur qui apparaît lors de l'utilisation de laser à haute cadence. Cette accumulation permet de réduire les fluences seuils d'ablation et d'augmenter les efficacités d'ablation. <br />Une analyse de l'interaction et des régimes d'ablation est proposée sur la base des résultats expérimentaux et des modèles, et permet l'optimisation du procédé de décontamination.