L'expérience JUNO est une expérience basée sur un détecteur à scintillateur liquide ayant pour objectif principal de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos. JUNO atteindra une sensibilité de trois écarts standards en 6 ans, avec une résolution en énergie sans précédent, meilleure que 3% à 1MeV. Le détecteur central de JUNO est un détecteur à scintillateur liquide de 20 kilotonnes, construit avec une couverture de photocathode élevée (78%) et une bonne transparence. La couverture de photocathode est assurée par 18000 photomultiplicateurs de 20 pouces et 25000 de 3 pouces, ce qui permet d'atteindre un rendement d'environ 1200 photoélectrons par MeV. Malgré les 700m d'épaisseur de roche protégeant le détecteur des rayonnements cosmiques, le bruit de fond induit par les muons atmosphériques est toujours considéré comme non négligeable par rapport au signal attendu pour la détermination de la hiérarchie de masse. Pour faire face à ce bruit de fond, un détecteur appelé "Top Tracker" permet d'améliorer la détection de ces muons. Cette thèse concerne les travaux d'optimisation pour cette expérience actuellement en cours de construction, et dont les prises de données commenceront en 2021.Pour les photomultiplicateurs de 20 pouces, deux nouvelles géométries de concentrateurs de lumière sont étudiées afin de vérifier leurs performances pour augmenter le rendement photoélectronique et donc la résolution en énergie de JUNO. La distribution spatiale et le schéma de câblage des photomultiplicateurs de 3 pouces font aussi l'objet d'études pour assurer une performance optimale du système.Cette thèse aborde ensuite la conception du système de déclenchement du Top Tracker. En effet, ce détecteur doit posséder un tel système pour rejeter les signaux produits par la radioactivité naturelle dans la caverne. Les résultats montrent qu'un système à 2 niveaux doté d'algorithmes optimisés est efficace pour la suppression de ces signaux et qu'il est ainsi possible d'obtenir une efficacité de détection des muons de 93%. Une discussion sur la contribution du Top Tracker à la suppression et à la mesure du bruit de fond induit par les muons atmosphériques est également incluse. / The JUNO experiment is a multi-purpose liquid scintillator neutrino experiment with the main objective of determining the neutrino mass hierarchy (nuMH) with a significance better than 3sigma. To achieve this goal, it is crucial that JUNO has an unprecedented energy resolution of 3% at 1 MeV. Therefore, the JUNO Central Detector (CD) will be built with 20000 ton high transparency liquid scintillator and high photomultiplier tube (PMT) photocathode coverage of 78%, which is provided by 18000 20"-PMTs (LPMTs) and 25000 3"-PMTs (SPMTs). At the same time, the background induced by atmospheric muons should be vetoed by using reconstructed muon tracks. The Top Tracker (TT) is a muon tracker installed on top of the CD for precise muon tracking.This thesis details firstly the optimisation of the LPMT and the SPMT systems, which are directly related to the antineutrino calorimetry. New designs of light concentrator tailored for the JUNO LPMT are studied in order to verify their performance on increasing the JUNO photoelectron yield. By comparing different configurations, the relation between the SPMT system performance and the non-uniform distribution of the SPMT emplacements is studied, and the scheme used for cabling between SPMTs and their Under Water Boxes (UWBs) is studied to ensure a minimal performance degradation in case of UWB failure.Afterwards, this thesis reports on the design and optimisation of the TT trigger algorithms. Due to the background induced by natural radioactivity in the JUNO cavern, the TT cannot work correctly without a trigger system. The results show that a 2-level trigger with the optimised trigger algorithm is effective for the background suppression and thus a muon detection efficiency of 93% can be achieved.A discussion about the TT contribution to the suppression and the measurement of the atmospheric muon-induced background, is also included.

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

Les collisions d’ions lourds ultrarelativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à températures et densités d'énergie extrêmes. La chromodynamique quantique (QCD) prédit, dans ces conditions, l’existence d’une nouvelle phase de la matière dans laquelle les constituants des hadrons sont déconfinés en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premiers instants des collisions, avant de traverser le milieu. Par conséquent, la mesure des quarkonia (mésons cc et bb) est particulièrement intéressante pour l'étude du QGP : leur dissociation, due notamment à l’écrantage de couleur, est sensible à la température initiale du système. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit, mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie 14 fois supérieure à celle du RHIC, l’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au CERN, entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est une des quatre grandes expériences fonctionnant auprès du LHC et dont le but principal est l'étude du plasma de quarks et gluons produit dans les collisions d'ions plomb à une énergie de 2.76 TeV par nucléon. Elle enregistre aussi des collisions pp afin de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et proton-noyau et de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de la variable d'échelle x de Bjorken. Les quarkonia, ainsi que les saveurs lourdes ouvertes et les mésons légers, sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration muonique avec le spectromètre à muons situé à petit angle polaire. Il est constitué d'un ensemble d’absorbeurs, d’un dipôle chaud, de cinq stations de trajectographie (Muon Tracking) et de deux stations de déclenchement (Muon Trigger). Le travail présenté dans cette thèse a été réalisé de 2011 à 2013 pendant les premières années de prise de données dans l’expérience ALICE. Après une introduction à la physique des ions lourds à hautes énergies et une description du setup expérimental, une étude des performances du Muon Trigger en Pb-Pb est proposée. En particulier, la stabilité dans le temps du détecteur et son efficacité de fonctionnement sont contrôlées. Le cluster size, correspondant au nombre moyen de voies adjacentes touchées par particule détectée, est étudié en fonction des différents variables. Les valeurs expérimentales sont comparées à des simulations afin de fournir une paramétrisation de cet effet. Finalement, la production du méson Ç en collisions Pb-Pb est analysée en détail et comparée à celle en collisions pp à la même énergie. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures du J/ψ par ALICE, aux mesures par CMS et à des prédictions de modèles théoriques. / The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb–Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.

L'astrophysique des neutrinos de haute énergie est une branche relativement récente dans l'astrophysique des particules. L'observation de ces neutrinos nécessite la construction de nouveaux types de télescopes immenses. Après une phase de recherche et de développement pendant laquelle elle a démontré la faisabilité d'une telle entreprise en milieu sous-marin, la collaboration ANTARES construit maintenant un télescope à neutrinos avec une surface de 0,1 km². Le détecteur, exposé à un taux élevé de bruit de fond ambiant, doit être capable de reconnaître un faible signal physique, ce qui nécessite un déclenchement à la fois puissant et efficace. Nous présentons ici une analyse des différentes possibilités d'un déclenchement local. A l'issue de cette étude, la définition du déclenchement final du détecteur est devenue possible. Nous présentons également une étude des performances du détecteur envisagé. L'analyse nécessite la simulation d'événements de très haute énergie (TeV-PeV). A ces énergie les programmes de simulation utilisent des hypothèses différentes, ce qui a nécessité une comparaison de leurs résultats avant utilisation. Une caractéristique importante d'un télescope à neutrinos est sa résolution angulaire. Celle d'ANTARES, obtenue dans cette thèse est de l'ordre de 0,5° pour les muons ascendants et inférieure à 1° pour les muons descendants. Une détection de l'ombre de la Lune, dont nous avons étudié la faisabilité, permet de vérifier ce résultat après 2-5 ans de prise de données.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

Cette thèse a pour sujet la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top-antitop dans l'expérience CMS auprès du LHC. L'état final considéré est le canal semi-leptonique "tau+jets". Un boson W issu de la désintégration du quark top se désintègre en un tau hadronique et neutrino tandis que le second boson W se désintègre en une paire quark-antiquark. La conduite de cette analyse a nécessité le développement d'un nouveau mode de déclenchement des données (trigger) incluant la présence de quatre jets dont un identifié en tant que tau hadronique. La configuration de ce trigger ainsi que son efficacité ont été étudiés dans cette thèse. Un échantillon de données correspondant à 3.9 fb−1 a été enregistré avec ce trigger et analysé. Les leptons taus ont été reconstruits grâce à un algorithme identifiant leurs résonances intermédiaires tandis que les jets de quarks beaux issus de la désintégration des quarks tops ont été identifiés grâce à l'algorithme "probabilité par jet". Cet algorithme pour lequel j'ai mis en oeuvre une procédure de calibration depuis 2009 utilise le paramètre d'impact des traces de particules chargées pour calculer leur probabilité de venir du vertex primaire. Des études de performance de cet algorithme sont également présentées dans cette thèse. Afin de séparer le signal de l'important bruit de fond majoritairement constitué des processus multijets QCD et W+jets un réseau de neurones utilisant des variables dites d'environnement (aplanarité, HT, M(τ,jets), énergie transverse manquante...) a été développé. La section efficace a été extraite à l'aide d'un ajustement par méthode du maximum de vraisemblance de la sortie du réseau de neurones. Les incertitudes systématiques ont fait l'objet d'une étude détaillée. La valeur de la section efficace mesurée, σ(top-antitop) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, est en accord avec la section efficace prédite par le modèle standard.

Cette thèse a pour sujet la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top-antitop dans l’expérience CMS auprès du LHC. L’état final considéré est le canal semi-leptonique ”tau+jets”. Un boson W issu de la désintégration du quark top se désintègre en un tau hadronique et neutrino tandis que le second boson W se désintègre en une paire quark-antiquark. La conduite de cette analyse a nécessité le développement d’un nouveau mode de déclenchement des données (trigger) incluant la présence de quatre jets dont un identifié en tant que tau hadronique. La configuration de ce trigger ainsi que son efficacité ont été étudiés dans cette thèse. Un échantillon de données correspondant à 3.9 fb−1 a été enregistré avec ce trigger et analysé. Les leptons taus ont été reconstruits grâce à un algorithme identifiant leurs résonances intermédiaires tandis que les jets de quarks beaux issus de la désintégration des quarks tops ont été identifiés grâce à l’algorithme ”probabilité par jet”. Cet algorithme pour lequel j’ai mis en oeuvre une procédure de calibration depuis 2009 utilise le paramètre d’impact des traces de particules chargées pour calculer leur probabilité de venir du vertex primaire. Des études de performance de cet algorithme sont également présentées dans cette thèse. Afin de séparer le signal de l’important bruit de fond majoritairement constitué des processus multijets QCD et W+jets un réseau de neurones utilisant des variables dites d’environnement (aplanarité, HT, M(τ,jets), énergie transverse manquante...) a été développé. La section efficace a été extraite à l’aide d’un ajustement par méthode du maximum de vraisemblance de la sortie du réseau de neurones. Les incertitudes systématiques ont fait l’objet d’une étude détaillée. La valeur de la section efficace mesurée, σ(top-antitop) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, est en accord avec la section efficace prédite par le modèle standard. / In this thesis we present the first measurement in the CMS experiment of the top-antitop production cross section in the tau+jets final state. To perform this measurement we designed a specific trigger requiring the presence of four jets, one of them being identified as an hadronic tau. The performance of this trigger has been studied in this thesis. A dataset of 3.9 fb-1 was collected with this trigger and analyzed. At offline level we needed to apply a sophisticated tau identification technique to identify the tau jets, based on the reconstruction of the intermediate resonances of the hadronic tau decay modes. Another crucial point was the b-jet identification, both to identify the b-jets in the final state and to modelize the background using a data driven technique. The studies done on the b-tag algorithms along the PhD period are also presented with particular attention to the ”Jet Probability” algorithm. It is the algorithm for which I performed the calibration since 2009 as well as the one used to tag the b-jets from the top decays. A neural network has been developed to separate the top-antitop events from the W+jets and multijet backgrounds. A binned likelihood fit to the neural network output distribution is done in order to extract the signal contribution from the background. A detailed estimation of the systematic uncertainties on the cross section measurement is also presented. The result for the cross section measurement, σ(tt) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, is in perfect agreement with the standard model expectation.

L’expérience SuperNEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration bêta (ββ) sans émission de neutrinos impliquant un neutrino de Majorana (ν ≡ ν̄) massif. Le module démonstrateur de l’expérience est actuellement en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). La technique de détection utilisée, dite tracko-calo, permet la mesure en énergie des particules traversant le détecteur ainsi qu’une reconstruction complète de leur cinématique.Cette thèse présente la conception, la simulation et l’implémentation d’un système de déclenchement de l’électronique pour le module démonstrateur de SuperNEMO. Le but de ce système est de maximiser l’efficacité de détection pour des évènements ββ ainsi que pour des évènements dits de bruits de fond issus de la radioactivité naturelle tout en réduisant le taux d’acquisition pour des évènements d’autodéclenchement des détecteurs. Un ensemble d’algorithmes de reconnaissances de traces et d’association calorimètre–trajectographe a été développé et implémenté dans les cartes électroniques après validation par des simulations Monte-Carlo. Les objectifs de performance ont été atteints en prenant en compte les différentes contraintes (physique des détecteurs, électronique, temps réel) maximisant les efficacités de détection pour des évènements d’intérêt physique. / The SuperNEMO experiment is designed for the neutrinoless double beta decay (ββ) research involving a massive Majorana neutrino (ν ≡ ν̄). The demonstrator module of the experiment is currently being installed at the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). The so-called tracko-calo detection technique allows the energy measurement of the particles passing through the detector and a complete reconstruction of their kinematics.This thesis presents the design, simulation and implementation of the electronics trigger system for the SuperNEMO demonstrator module. The purpose of this system is to maximize the detection efficiency for ββ events as well as for background events due to natural radioactivity while reducing the acquisition rate caused by spurious events. Pattern recognition and calorimeter-tracker association algorithms have been developed and implemented in electronic boards after validation by Monte-Carlo simulations. The performance targets have been reached, taking into account different constraints (physics of the detectors, electronics, real time) with maximized detection efficiency for events of interest.

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées. / In the Standard Model of particle physics, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the quark mixing effect. The CKM gamma angle is one of the parameters of the Standard Model that are known less accurately. Direct measurements give an uncertainty of around 15º, large with respect to the uncertainty on the value extracted from global fits, of 3º. In order to test the Standard Model consistency, the gamma angle needs to be measured precisely. This can be done using processes at the tree-level, where only Standard Model contributions are expected, or using processes involving loop diagrams, which can be sensitive to physics beyond the Standard Model. Differences in the gamma measurement from tree and loop diagrams would be an indication of new physics. This thesis presents the first measurement of the CP observables in the B0 -> DK*0 decay. Sensitivity to gamma arises from the interference of the b -> u mediated amplitude with the b -> c one, at the tree-level. The CP asymmetry of the B0 -> D(K+K-)K*0 mode and the partial width ratio of this channel with respect to B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using 1 /fb of data collected by the LHCb experiment in 2011,A_KK_d = -0.452 +/- 0.230 +/- 0.025 = A_CP+,R_KK_d = 1.360 +/- 0.366 +/- 0.075 = R_CP+. The CP asymmetry of the suppressed B0 -> D(K-pi+)K*0 mode and the partial width ratio with respect to the favoured B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using the total 3 /fb of data collected in 2011 and 2012,A_sup_d = -0.094 +/- 0.318 = A_ADS,R_d = 0.075 +/- 0.023 = R_ADS. In addition, the studies performed on the hardware hadronic trigger of the LHCb experiment are also presented.