En France, les références associées à la fluence neutronique et aux grandeurs dosimétriques dérivées sont détenues par le Laboratoire de Métrologie, de micro-irradiation et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN) de l’IRSN. Afin d’améliorer la définition des références en énergie et en fluence des champs neutroniques monoénergétiques de l’installation AMANDE,le LMDN s’est engagé dans le projet de développement d’un détecteur gazeux μTPC (microTime Projection Chamber) appelé LNE-IRSN-MIMAC en collaboration avec le LPSC.Dans une précédente thèse, la mesure de champs neutroniques entre 27 keV et 565 keV a été réalisée. L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre la gamme de mesure au-delà de 1 MeV.Le choix du gaz, le développement d’une méthode d’analyse indépendante de l’utilisateur et la caractérisation du détecteur ont ainsi permis de valider la capacité du détecteur LNE-IRSN-MIMAC à réaliser des mesures dans des champs neutroniques monoénergétiques entre 250 keV et 6,5 MeV avec une précision de 3% en énergie et de 2,5% en fluence. / In France, the references associated to the neutron fluence and the deriva-ted dosimetric quantities are under the responsability of the micro-irradiation and neutronmetrology and dosimetry laboratory (LMDN)of IRSN. In order to improve the definition ofreferences in fluence and energy of the monoenergetic neutron fields, produced at AMANDEfacility, a micro-TPC gaseous detector, called LNE-IRSN-MIMAC, is developping in collabo-ration with LPSC.In a previous work, the detector was qualified for neutron fields in the energy rangebetween 27 keV and 565 keV. The objective of the present work is to extend the range of theμTPC above 1 MeV. The choice of the gas, the development of an analysis method and thedetector characterization allowed to validate the detector capacity to perform measurements inmonoenergetic neutron fields ranging from 250 keV up to 6,5 MeV with a relative uncertaintyof 3% and 2,5% respectively in energy and fluence.

Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission. / This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.

Une grande ‘Chambre à Projection Temporelle’ (TPC) est un candidat pour la détection et la mesure des traces chargées auprès de l’ILC, collisionneur linéaire d’électrons et de positons de 31 km permettant d’atteindre des énergies dans le centre de masse de 250 GeV à 1 TeV. Le travail de R&D décrit dans cette thèse porte sur un type nouveau de TPC, dont la lecture est assurée par des Micromégas à anode résistive. Ce dispositif permet de répartir le signal électrique sur plusieurs carreaux, même lorsque la charge est déposée sur un seul carreau. Il permet aussi de protéger l’électronique, ce qui est utilisé dans notre prototype pour miniaturiser les cartes de lecture. Dans ce travail, des modules Micromégas ont été testés et caractérisés, dans un premier temps, en faisceau, un par un au centre de la chambre, puis 7 modules montés en même temps de façon à couvrir la surface. Egalement, des tests sur un banc équipé d’une source de ⁵⁵Fe ont permis de caractériser les 7 modules utilisés. Une résolution en position de 60 microns par ligne de carreaux est obtenue à petite distance de dérive. L’uniformité est aussi évaluée, et des distorsions pouvant atteindre environ 500 microns sont observées. L’ensemble des résultats démontre l’adéquation de ce type de lecture à la TPC pour l’ILC. La fraction de retour des ions est également mesurée à l’aide d’un détecteur de même géométrie et avec le même gaz que ceux utilisés dans ces tests, et la loi en rapport inverse des champs est validée à nouveau dans ces conditions. La même technique est appliquée à la réalisation d’un imageur neutron, consistant en une TPC Micromégas ‘plate’ précédée d’un film convertisseur de 1mm d’épaisseur. Les protons éjectés par les neutrons sont ‘suivis à la trace’ dans le volume gazeux, ce qui permet de reconstruire avec une précision meilleure que le millimètre le point d’origine du neutron. / The study of the fundamental building blocks of matter necessitates always more powerful accelerators. New particles are produced in high energy collisions of protons or electrons. The by-Products of these collisions are detected in large apparatus surrounding the interaction point. The 125 GeV Higgs particle discovered at LHC will be studied in detail in the next e⁺e⁻ collider. The leading project for this is called ILC. The team that I joined is working on the R&D for a Time Projection Chamber (TPC) to detect the charged tracks by the ionization they leave in a gas volume, optimised for use at ILC. This primary ionization is amplified by the so-Called Micromegas device, with a charge-Sharing anode made of a resistive-Capacitive coating. After a presentation of the physics motivation for the ILC and ILD detector, I will review the principle of operation of a TPC (Chapter 2) and underline the advantages of the Micromegas readout with charge sharing. The main part of this PhD work concerns the detailed study of up to 12 prototypes of various kinds. The modules and their readout electronics are described in Chapter 3. A test-Bench setup has been assembled at CERN (Chapter 4) to study the response to a ⁵⁵Fe source, allowing an energy calibration and a uniformity study. In Chapter 5, the ion backflow is studied using a bulk Micromegas and the gas gain is measured using a calibrated electronics chain. With the same setup, the electron transparency is measured as a function of the field ratio (drift/amplification). Also, several beam tests have been carried out at DESY with a 5 GeV electron beam in a 1 T superconducting magnet. These beam tests allowed the detailed study of the spatial resolution. In the final test, the endplate was equipped with seven modules, bringing sensitivity to misalignment and distortions. Such a study required software developments (Chapter 6) to make optimal use of the charge sharing and to reconstruct multiple tracks through several modules with a Kalman filter algorithm. The results of these studies are given in Chapter 7. The TPC technique has been applied to neutron imaging in collaboration with the University of Lanzhou. A test using a neutron source has been carried out in China. The results are reported in Chapter 8.

L’étude des noyaux à la drip-line proton est un outil récent et puissant pour sonder la structure nucléaire loin de la vallée de stabilité. En particulier, le phénomène de radioactivité deux protons prédit théoriquement en 1960 a été découvert expérimentalement en 2002. Ce travail de thèse concerne une expérience réalisée au GANIL dans le but d’étudier la radioactivité 2pde 54Zn avec une chambre à projection temporelle, développée pour la détection individuelle de chaque proton et la reconstruction de leur trajectoire en trois dimensions. L’analyse des données a permis de déterminer les corrélations en énergie et en angle entre les deux protons.Celles-ci ont été comparées à un modèle théorique qui prend en compte la dynamique de la décroissance, permettant d’obtenir des informations sur la structure de l’émetteur. La statistique obtenue étant très faible, l’interprétation des résultats reste encore limitée mais ces résultats ouvrent de très belles perspectives sur les études futures des noyaux aux limites d’existence. / The study of nuclei at the proton drip-line is a recent and efficient tool to prove the nuclearstructure far from stability. In particular, the two proton radioactivity phenomenonpredicted in 1960 has been discovered in 2002. This PhD thesis concerns an experiment realisedat GANIL, in order to study the 2p radioactivity of 54Zn with a time projection chamber,developed for the individual detection of each proton and the reconstruction of their tracksin three dimensions. The data analysis allowed to determine the correlations in energy andangle between the two protons. They have been compared to a theoretical model, which takesinto account the dynamics of the emission, giving information about the structure of theemitter. However, due to the very low statistics, the interpretation of the results is limitedbut these results open very interesting prospects for further studies of nuclei at the limits ofthe existence.

The T2K ("Tokai-to-Kamioka") Experiment is a long-baseline neutrino oscillation experiment. A beam of primarily muon neutrinos (in neutrino beam mode) or antineutrinos (in antineutrino beam mode) is produced at the J-PARC ("Japan Proton Accelerator Research Complex") facility. The near detector (ND280), located 280 m from the proton beam target, measures a large event rate of neutrino interactions in the unoscillated beam, while the far detector, Super-Kamiokande, 295 km away, searches for the signatures of neutrino oscillation. This dissertation describes the analyses of data at ND280 and Super-Kamiokande leading to T2K's first results from running in antineutrino beam mode: a measurement of muon antineutrino disappearance. The measured values of the antineutrino oscillation parameters (Normal Hierarchy) are (sin²(θ̅₂₃), |Δm̅²₃₂|) = (0.450, 2.518 x 10ˉ³ eV²/c⁴), with 90% 1D confidence intervals 0.327 < sin²(θ̅₂₃) < 0.692 and 2.03 x 10ˉ³ eV²/c⁴ < |Δm̅²₃₂| < 2.92 x 10ˉ³ eV²/c⁴. These results are consistent with past measurements of these parameters by other experiments, and with T2K's past measurements of muon neutrinos. / Graduate

L'étude des noyaux exotiques est un outil important pour sonder la structure nucléaire des noyaux éloignés de la stabilité. Pour des noyaux situés à la drip-line proton, l'émission directe de protons a été prédite depuis le début des années 1960. Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude de la radioactivité 2-protons du noyau 45Fe. Un modèle théorique récent, dit modèle à trois corps, prévoit les corrélations énergétiques et angulaires qui doivent exister entre les protons émis. Afin d'étudier le processus d'émission, une Chambre à Projection Temporelle a spécialement été conçue pour reconstruire en trois dimensions la trajectoire des protons. Elle a été utilisée pendant une expérience sur le séparateur LISE3 du GANIL pour l'étude de 45Fe. Pour la première fois, les deux protons émis ont pu être détectés individuellement. Des outils d'analyse spécifiques ont permis de calculer les corrélations énergétiques entre les protons, montrant qu'ils partagent équitablement l'énergie disponible, tel que le prévoient les différents modèles théoriques. Les corrélations angulaires ont été étudiées, mais le manque de statistique ne permet pas de trancher définitivement sur le processus d'émission mis en jeu même si les données sont en accord avec les prévisions du modèle à trois corps. L'expérience a également permis d'étudier l'émission retardée de protons de 43Cr. L'émission beta-2p a été identifiée ; les corrélations énergétiques et angulaires sont en faveur d'une émission séquentielle des deux protons. Enfin, et pour la première fois, l'émission retardée de trois protons a été observée pour ce noyau. / The study of exotic nuclei is a powerful tool to probe the nuclear structure far from stability. For nuclei at the proton drip-line, the direct emission of protons has been predicted since the beginning of 1960s. This PhD thesis is focused on the study of the 2-proton radioactivity of 45Fe. A recent theoretical model, called three-body model, predicts the energetic and angular correlations which have to exist between the two protons emitted. In order to study the emission process, a Time Projection Chamber was especially developped to reconstruct the proton tracks in the three-dimension space. It was used during an experiment performed at the LISE3 separator of GANIL for the study of 45Fe. For the first time the two protons emitted were individually observed. A specific analysis allows us to calculate the energetic correlations between protons, showing they share equally the decay energy, as predicted by the whole theoretical models. The angular correlations were studied, but the lack of statistics does not allow us to determine definitively the emission process which occurs even though the data agree with the three-body model predictions. Moreover, the experiment allowed to study the proton delayed emission of 43Cr. The beta-2p emission was identified; the energetic and angular correlations favour a sequential emission of the two protons. Finally, the delayed emission of three protons was observed for the first time for this nucleus.

Un point crucial pour l'avenir de la Physique de Particules est représenté par la mesure de la masse et des paramètres qui gouvernent l'oscillation du neutrino, qui représentent la preuve de Physique au-delà du Model Standard. Depuis 2011, la valeur élevée de l'angle de mélange θ13 a ouvert la voie à l'étude sur la violation de symétrie CP dans le secteur de neutrinos. La nouvelle d'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a un potentiel sans précédent pour effectuer une mesure très précise des paramètres d'oscillation de neutrinos. Les grands détecteurs souterrains nécessaires pour ces mesures sont également un milieu idéal pour la recherche sur la désintégration du proton et sur la détection de neutrinos provenant des supernovæ.Les détecteurs utilisés pour ces expériences sont des Chambres à Projection Temporelle (TPC) dont la cible, très massive, est constituée d'Argon liquide. Ce type de détecteur fournit une très bonne résolution de l'image reconstruite, une excellente résolution en énergie et la possibilité d'identifier les particules. Les interactions de neutrino produisent des particules secondaires qui ionisent l'Argon liquide. Les électrons produits par ionisation dérivent sur de longues distances, sous l'effet d'un champ électrique uniforme, jusqu'à rejoindre l‘anode, équipé pour la détection de la charge. Un signal électrique est alors produit et est utilisé pour la reconstruction 3D de l'interaction primaire. La TPC en double phase liquide-gaz permet l'amplification du signal d'ionisation par des avalanches qui se produisent dans la phase gazeuse, au-dessus du niveau de l'Argon liquide. Cette technique améliore les performances de TPC en augmentant son rapport signal-bruit.Le sujet de cette thèse est la reconstruction et l'analyse de la charge de ionisation dans une TPC à Argon liquide : la mesure de la charge déposée par ionisation fournit des informations sur l'énergie cinétique des particules chargées secondaires produites lors de l'interaction de neutrino. De cette manière, il est possible de reconstruire l'énergie du neutrino entrant, de reconnaître et d'exclure les gerbes électromagnétiques produites par la désintégration du π0, puis d'effectuer l'indentification des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie par ionisation.La mesure de l'ionisation implique une connaissance approfondie de la réponse du détecteur et de l'algorithme de reconstruction. Afin d'atteindre cette connaissance nous avons effectué une analyse détaillée des pertes d'énergie simulée en étudiant les divergences entre les connaissances théoriques et la simulation. Ensuite, la simulation de la réponse du détecteur a été étudiée, en examinant les effets qui se produisent au cours de la dérive des charges et les effets liés à la réponse de l'instrumentation électronique. Ces effets systématiques qui affectent l'exactitude de l'algorithme de reconstruction sont alors caractérisés par rapport à la génération de Monte-Carlo.Par la suite, nous montrons comment il est possible d'effectuer la rejection du π0 en étudiant les pertes d'énergie. En mesurant les pertes par ionisation au début d'une gerbe électromagnétique, il est possible de comprendre si elle a été produite par un électron ou par un photon. Cela permet d'exclure le bruit dans la détection des produits d'interaction du neutrino électronique fondamental pour la recherche de la violation de CP.Par l'échantillonnage de la trajectoire d'une particule chargée et en mesurant ses pertes d'énergie, il est possible d'identifier sa nature. Une TPC à Argon liquide est également un milieu idéal pour la recherche de la désintégration du proton, en particulier en regardant certaines chaînes de désintégration exclusives, comme p  K + ν. Dans cette thèse, nous montrons ainsi comment il est possible d'identifier des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie, et plus abordons plus précisément l'identification des kaons chargés / This is an important period for High Energy Physics: many recent results, including the Higgs discovery and its characterization, confirm the Standard Model. A crucial point for the future of Particle Physics is the study of neutrino masses and mixing representing the first established evidence of physics beyond the SM. Since 2011, the large value of the ?13 mixing angle opened the way to the investigation of CP violation in the neutrino sector. A next generation long baseline neutrino experiment (DUNE) has unprecedented potential to precisely measure the neutrino oscillation parameters, determine the neutrino mass hierarchy and has a very good chance to discover evidence for CP violation in the leptonic sector. The large underground neutrino detectors needed for this task will also address the search for proton decay and the observation of supernovae neutrinos. Giant Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs) will be employed as neutrino targets and detectors. They provide bubble-chamber quality imaging coupled to excellent energy resolution and particles identification capabilities. Neutrino interactions produce secondary particles, which ionize the liquid argon. The ionization electrons drift for long distances along a uniform electric field until they reach finely segmented and instrumented anodes, producing electrical signals that are used for 3D imaging and analysis of the primary interactions. The dual-phase readout technique foresees the amplification of the ionization signal in avalanches occurring in the gas phase above the liquid argon level. This technique further enhances the performance of the LAr TPC by increasing its signal to noise ratio. The subject of thesis is the ionization charge reconstruction and analysis in the dual-phase LAr TPC: the ionization charges measurement provides information about the kinetic energy of secondary charged particles produced in neutrino interactions. In this way, it is possible to reconstruct the incoming neutrino energy, identify and reject electromagnetic shower generated by photons from pi0 decay and perform particles identification from the measurement of the specific ionization losses.The measurement of the ionization implies a detailed knowledge of the detector response and of the reconstruction algorithm. In order to achieve this knowledge a detailed analysis of the simulated energy losses has been performed by studying the differences between the theoretical knowledge and the simulation

No description available.

L'étude des noyaux exotiques est un outil important pour sonder la structure nucléaire des noyaux éloignés de la stabilité. Pour des noyaux situés à la drip-line proton, l'émission directe de protons a été prédite depuis le début des années 1960. Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude de la radioactivité 2-protons du noyau 45Fe. Un modèle théorique récent, dit modèle à trois corps, prévoit les corrélations énergétiques et angulaires qui doivent exister entre les protons émis. Afin d'étudier le processus d'émission, une Chambre à Projection Temporelle a spécialement été conçue pour reconstruire en trois dimensions la trajectoire des protons. Elle a été utilisée pendant une expérience sur le séparateur LISE3 du GANIL pour l'étude de 45Fe. Pour la première fois, les deux protons émis ont pu être détectés individuellement. Des outils d'analyse spécifiques ont permis de calculer les corrélations énergétiques entre les protons, montrant qu'ils partagent équitablement l'énergie disponible, tel que le prévoient les différents modèles théoriques. Les corrélations angulaires ont été étudiées, mais le manque de statistique ne permet pas de trancher définitivement sur le processus d'émission mis en jeu même si les données sont en accord avec les prévisions du modèle à trois corps. L'expérience a également permis d'étudier l'émission retardée de protons de 43Cr. L'émission beta-2p a été identifiée ; les corrélations énergétiques et angulaires sont en faveur d'une émission séquentielle des deux protons. Enfin, et pour la première fois, l'émission retardée de trois protons a été observée pour ce noyau.

No description available.