CUORE est la plus grande expérience qui recherche la double désintégration bêta sans neutrino avec des bolomètres de TeO₂. La découverte de cette transition nucléaire aurait des conséquences décisives sur la scène actuelle de la physique. Les questions suivantes trouveraient une réponse : pourquoi la matière est-elle dominante dans l’Univers? Quelle est la masse du neutrino? Le neutrino est il un particule de Majorana ou de Dirac? Ce travail présente deux approches différentes pour l’amélioration de la sensibilité de CUORE en vue de sa prochaine phase : CUPID. Dans la première partie de ce travail, une étude du modèle thermique pour les bolomètres équipés avec des NTDs est présentée dans le but de mieux comprendre la réponse des détecteurs de CUORE. Les bolomètres sont des détecteurs extraordinaires utilisés pour un grand nombre d’applications en raison de leurs performances remarquables, mais leur modélisation et leur simulation sont loin d’être complètement comprises. Deux mesures ont été effectuées pour évaluer expérimentalement deux paramètres du modèle thermique : la conductance de la colle et celle entre les électrons et les phonons. Dans la deuxième partie de ce travail, la possibilité de détecter la faible lumière Cherenkov émise par le TeO₂ est étudiée à fin de rejeter des événements alpha, le fond principal de l’expérience CUORE. Le défi consiste dans la détection d’un signal de lumière de 100 eV à moyen d’un détecteur équipé avec un NTD qui a normalement un bruit de l’ordre de 100 eV. Cette question peut être résolue grâce à l’effet Neganov-Trofimov-Luke (NTL) qui a permis de baisser le seuil du détecteur de lumière et d'améliorer son rapport signal-sur-bruit. Cet effet exploite la présence d’un champ électrique pour amplifier les signaux thermiques des bolomètres. Le rejet complet du fond alpha a été prouvé avec un photo-bolomètre amélioré par l’effet NTL et couplé à un bolomètre de TeO₂ comme ceux utilisés par CUORE. Une solution convaincante pour le rejet de fond alpha a été démontrée en vue de l’expérience CUPID. / CUORE is the first tonne-scale experiment searching for the neutrinoless double beta decay with TeO₂ bolometers. The discovery of this nuclear transitionwould have decisive consequences on the present physics scene. The following questions would find an answer: why is matter dominant in the Universe? which is the neutrino mass? has the neutrino a Majorana or a Dirac nature? This work presents two different approaches for the enhancement of the CUORE sensitivity with a view to its upgrade: the CUPID experiment. In the first part, a study of the thermal model describing NTD-based bolometers is presented with the objective to achieve a better comprehension of the response of the CUORE detectors. Bolometers are amazing detectors used for a large number of applications because of their impressive high performance, but their modelisation and simulation is far to be completely understood. Two measurements have been performed for an experimental evaluation of two thermal-model parameters: the glue and the electron-phonon conductances. In the second part, the possibility to detect the tiny Cherenkov light emitted by TeO₂ to reject alpha events — the main background of the CUORE experiment — is studied. The challenge consists in the detection of a 100-eV light signal with a NTD-based light detector that usually is characterised by a baseline noise of the order of 100 eV. This issue is solved with the employment of the Neganov-Trofimov-Luke (NTL) effect to lower the energy threshold of the light detector and improve its signal-to-noise ratio. This effect exploits the presence of an electric field to amplify bolometric thermal signals. The full rejection of the alpha background has been proved with one NTL assisted photo-bolometer coupled to a CUORE-size TeO₂ bolometer. A convincing solution for the alpha background rejection has been demonstrated with a view to the CUPID experiment.

Le projet WA105/ProtoDUνE-DP est une expérience de prototypage qui a pour objectif de tester la technologie de Chambre à Projection Temporelle à Argon Liquide Diphasique (DLArTPC) à grande échelle dans le but de l'utiliser dans la future expérience de physique des neutrinos DUνE. Prévue fin 2026 aux USA, DUνE vise à déterminer l'ordre des masses des neutrinos ainsi que la violation de CP dans le secteur leptonique. Le travail de cette thèse s'oriente dans un premier temps autour des tests et simulations effectués sur les éléments de détection et d'amplification des détecteurs de WA105. Dans un second temps, la thèse s'oriente autour de l'analyse des traces de muons cosmiques vues par un premier prototype de 4t, opéré en 2017 au CERN. La technologie DLArTPC est une variante de la technologie LArTPC permettant une amplification des électrons extraits de la phase liquide à la phase gazeuse. Les amplificateurs d'électrons (LEMs) sont des plaques de PCB de 50x50cm² épais de 1mm, percés de 400k trous de 500 microns de diamètre, recouvertes de chaque côté par une mince couche de cuivre. Une différence de potentiel de l'ordre de 3kv permet d'atteindre un gain supérieur à 10. Une partie du travail de cette thèse a consisté à simuler la dérive des électrons à travers ces LEMs afin d'étudier les efficacités de collection de charge. Une autre partie de cette thèse a consisté à mesurer les caractéristiques importantes (épaisseur, tenue en tension) des amplificateurs destinés au démonstrateur de 300t de WA105, dont la mise en route a été effectuée fin août 2019 au CERN. Le gain est une des caractéristiques principales d'une DLArTPC, et il a été étudié dans le prototype de 4t grâce à la détection de muons cosmiques. Des comparaisons sont effectuées avec les résultats d'un prototype de 3L datant de 2014, et un programme de reconstruction de trace dédié a été développé pour traiter certains événements bruités. Le travail effectué dans cette thèse a permis de mieux comprendre le fonctionnement des DLArTPCs, notamment en ce qui concerne l'aspect multiplication et dérive des électrons. Ces connaissances seront importantes lors de l'opération du démonstrateur de 300t au CERN, ainsi que lors de l'exploitation du module DLArTPC de DUνE. / The WA105/ProtoDUνE-DP project is a prototyping experiment which goal is to test the Double Phase Liquid Argon Time Projection Chamber (DLArTPC) technology at large scale, to use it in the future neutrinos physics experiment DUνE. Scheduled for the end of 2026 in the USA, DUνE aims at measuring the neutrinos mass ordering and the leptonic CP symetry violation. The first part of this thesis is dedicated to tests and simulations of the detection and amplification elements of the WA105 detectors. The second part is focused on the analysis of cosmic muon tracks seen by a first prototype of 4t, operated at CERN in 2017. The DLArTPC technology is a variation of the LArTPC technology allowing for the amplification of the electrons extracted from the liquid phase to the gas phase. The Large Electron Amplifiers (LEMs) are 50x50cm² PCB plates with a thickness of 1mm, pierced by 400k holes of 500 microns diameter, covered on each side by a thin layer of copper giving a gain superior to 10. Part of this thesis work is about the simulation of electrons drifting through those LEMs to study the charge collection efficiencies. Another part of this thesis is about the measurement of important caracteristics (thickness, voltage stability) of the LEMs that are used in the 300t demonstrator of WA105, which commissionning was done in the end of August 2019. The gain is one of the main caracteristics of a DLArTPC, and it has been studied in the 4t prototype by detecting cosmic muons. Comparisons are done with previous results from 2014 from a smaller prototype of 3L, and a dedicated reconstruction program was created to analyse noisy events. The work done in the thesis allowed for a better understanding of DALrTPCs, mainly on the multiplication and drift of electrons. This knowledge will be important during the operation of the 300t demonstrator at CERN, and during the operationg of the DLArTPC module of DUνE.

Il est clair que le Modèle Standard des particules élémentaires n'est pas complet. Parmi tous les indices d'une physique au-delà du Modèle Standard, la masse des neutrinos, l'asymétrie matière-antimatière de notre Univers et la matière noire constituent les trois contextes généraux de cette thèse.Le fait que les neutrinos soient massifs constitue la plus claire évidence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La masse des neutrinos peut trouver une explication notamment dans le cadre des modèles favoris dits "modèles Seesaw". Ces modèles, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos, génèrent aussi des processus dans lesquels la saveur d'un lepton chargé est changée, comme la désintégration d'un muon en un électron et un photon, ou la conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome sans émission de neutrino. Ces processus sont importants car les expériences futures devraient atteindre des sensibilités impressionnantes sur leurs taux, mais aussi parce que leur observation confirmerait l'existence d'une physique nouvelle et pourrait peut-être discriminé parmi les différents modèles. Il est donc important d'avoir une expression analytique fiable du taux de ces processus dans le cadre de ces modèles Seesaw favoris. Dans la première partie de cette thèse, nous calculons l'expression du taux de conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome dans le cadre des modèles Seesaw de type 1, et analysons la phénoménologie s'y rapportant. Ces modèles Seesaw, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos et des processus changeant la saveur leptonique, permettent aussi la création de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, à travers le mécanisme dit de "leptogenèse". Selon ce mécanisme, une asymétrie leptonique aurait d'abord été créée, avant d'être partiellement transférée en une asymétrie baryonique. Dans la seconde partie de cette thèse, nous calculons et analysons la leptogenèse dans le cadre des modèles Seesaw de type 2 avec, pour la première fois, la prise en compte des effets de saveurs.Finalement, la troisième et dernière partie de cette thèse se concentre sur la possibilité de générer non seulement la matière baryonique à partir d'une asymétrie, mais aussi la matière noire. A cette fin, nous considérons le modèle dit "doublet inerte'', car il contient une interaction qui pourrait à priori générer de la matière noire à partir d'une asymétrie. Nous adressons dès lors la question suivante et y répondons: est-il possible de générer toute la matière noire à partir d'une asymétrie de matière noire dans le contexte du modèle doublet inerte ? / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mesure récente de l'angle de mélange theta-13, à laquelle l'expérience Double Chooz contribue, a ouvert la voie aux futures expériences de la physique des neutrinos. Dans ce manuscrit, la caractérisation de certains bruits de l'expérience sont décrits. Les muons cosmiques qui s'arrêtent et se désintègrent dans le détecteur sont mal reconstruits, résultant en distorsion de la distribution temporelle des signaux laquelle peut être utilisée pour identifier ce type de fond. Les neutrons rapides créés par spallation par les muons cosmiques produisent de nombreux protons de recul qui peuvent entraîner un décalage dans la distribution temporelle des signaux et ainsi être identifiés. Ces distributions temporelles ont aussi été utilisées pour identifier la formation de l'état d'orthopositronium en observant et en mesurant un délai entre l'ionisation du positron et l'annihilation de celui-ci, pouvant permettre une séparation positron-électron. / The measurement of the theta-13 mixing angle, to which the Double Chooz experiment contributed, paves the way to future findings in neutrino physics. In this manuscript, we describe the characterization of some Double Chooz backgrounds. Cosmic muons that stop and decay in the detector are characterized by anisotropic emission of the scintillation light, causing the vertex to be poorly reconstructed. The resulting pulse shape distortion can be used to tag and remove such background. Fast spallation neutrons producing multiple recoil protons may produce a similar distortion in the pulse shape and can also be tagged. Pulse shapes are also used to identify the formation of ortho-positronium. The tagging of such electron-positron bound state is made possible by the induced distortion in the pulse shape due to the delay in the positron annihilation, and can be used for an electron-positron separation.

L’expérience Tokai-to-Kamioka (T2K), située au Japon, étudie les oscillations des neutrinos et anti-neutrinos muoniques. Elle se donne pour objectif de mesurer les paramètres de la matrice de mélange, en particulier l’angle de mélange θ13 et la phase de violation de la symétrie CP. L’incertitude principale sur ces mesures provient de la méconnaissance des interactions des neutrinos avec les noyaux des divers matériaux composant les détecteurs. Afin de réduire ces erreurs systématiques, le détecteur WAGASCI, composé d’un réseau de barres de scintillateurs dans une cuve d’eau, a été construit et installé en 2016 sur le site de J-PARC à Tokai.Nous présentons dans cette thèse le phénomène d’oscillation des neutrinos et les effets nucléaires qui permettent de décrire les interactions entre neutrinos et noyaux. Nous illustrons également la construction du premier module WAGASCI – appelé le WaterModule – effectuée à l’automne 2015 ainsi que les études d’étalonnage de la réponse en énergie du détecteur.Les données collectées avec le WaterModule sont ensuite utilisées pour mesurer la section efficace des interactions par courant chargé des neutrinos muoniques produisant un pion dans l’état final (canal CC1π). Nous présentons ainsi les étapes menant à cette mesure : l’identification des particules, la sélection d’un échantillon d’évènements candidats puis l’étude des incertitudes statistiques et systématiques. Pour extraire la section efficace en fonction de l’angle et de l’impulsion du muon, nous utilisons une méthode statistique (unfolding) itérative pour laquelle un critère de convergence doit être établi ; nous présentons cette méthode ainsi qu’un moyen de construire un critère de convergence dicté par les données.Cette mesure, comme l’ensemble des mesures effectuées avec le détecteur WAGASCI, contribuera à réduire de manière significative les incertitudes systématiques de l’expérience T2K, ouvrant la voie à la mesure de la phase de violation de la symétrie CP. / The Tokai-to-Kamioka experiment (T2K), located in Japan, studies oscillations of muon neutrinos and antineutrinos. It aims to measure neutrino mixing parameters, such as the mixing angle θ13 and the CP-symmetry violating phase. The principal uncertainty on these measurements relates to the limited knowledge on neutrino-nucleus interactions on various target materials in the detectors. In order to reduce these systematic uncertainties, the WAGASCI detector – a lattice of scintillator bars in a water tank – has been built and installed in 2016 at J-PARC (Tokai, Japan).In this thesis we introduce neutrino oscillations alongside the nuclear effects required to describe how neutrinos interact with nuclei. We also show how the first WAGASCI module, the so-called WaterModule, was built in autumn 2015 in Tokai. The charge calibration of the WaterModule is also presented.The first WaterModule data are used to measure the muon neutrino charged-current cross section with one charged pion in the final state (CC1π channel). We detail the steps leading to this measurement: the particle identification; the selection of CC1π-candidate events; and the study of statistical and systematic uncertainties. To extract the double differential cross section with respect to muon momentum and angle, we use an iterative unfolding approach that requires a convergence criterion. We present this method and a way to build a data-driven convergence criterion.This measurement, as well as all coming measurements from the full WAGASCI detector, will contribute to significantly reduce the systematic errors for the T2K experiment. We will thus take a step further towards the measurement of the CP-symmetry violating phase.