L’imagerie 3γ est une technique innovante d’imagerie médicale nucléaire qui est étudiée au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d’un radioisotope émetteur (β+, γ), le 44Sc, à l’aide d’un télescope Compton au xénon liquide. Le lieu de désintégration de ce radioisotope est obtenu par l’intersection de la ligne de réponse, construite à partir de la détection des deux photons de 511 keV issus de l’annihilation d’un positron, et du cône déterminé à partir du troisième photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a été développé afin de faire la preuve expérimentale de la faisabilité de l’imagerie à 3γ. Les résultats de ce prototype sont très promoteurs en terme de résolution en énergie, de pureté du xénon liquide et de faible bruit électronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R&D et évaluer les performances de la nouvelle technique d’imagerie proposée. Les travaux rapportés dans cette thèse concernent le développement de la simulation du système d’imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalités ont été implémentées dans GATE afin de simuler un détecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectué une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des résultats en bon accord avec nos données expérimentales. La prochaine étape du projet consiste à construire une caméra cylindrique au xénon liquide pour l’imagerie du petit animal. Les résultats des simulations de cette caméra présentés dans cette thèse montrent la possibilité de localiser chaque désintégration le long de la ligne de réponse avec une très bonne précision et une bonne sensibilité de détection. Des premières images de fantômes simples, réalisées évènements par événements, et après reconstruction tomographiques ont également présentées. / Nuclear medical 3γ imaging is an innovative technique which is studied at the SUBATECH laboratory. It isbased on the three-dimensional localization of a (β+, γ) radioisotope emitter, the 44Sc, by using a liquid xenon Compton telescope. The position of the disintegration of this radioisotope is obtained by the intersection of the line of response, built by the detection of two 511 keVphotons from the annihilation of a positron, and the cone determined by the third photon. A small prototype XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) was developed to demonstrate experimentally the feasibility of 3γ imaging. The results of this prototype are quite encouraging in terms of energy resolution, purity of liquid xenon and electronic noise. The Monte Carlo simulation is an indispensable tool to support the R&D and to evaluate the new proposed technique of imaging ; this thesis work is to develop the simulation of 3γ imaging system by using GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). New functionalities have been added to GATE to simulate a TPC (Time Projection Chamber) detector. We performed a simulation of XEMIS1 prototype and obtained results in good agreement with our experimental data. The next step of the project is to build a full liquid xenon cylindrical camera for the small animal imaging. The results presented in this thesis of the simulations of this camera demonstrate the ability to locate every decayalong the line of response with very good accuracy and good detection sensitivity. The first direct images of simple phantoms, realized event by event, and after tomographic reconstruction are also presented.

L'imagerie médicale fonctionnelle permet de localiser en trois dimensions la position d'un traceur radioactif injecté au préalable à un patient. Les deux principales modalités employées en routine clinique pour détecter les tumeurs, la TEMP et la TEP, utilisent la technologie des scintillateurs solides comme milieu de détection des photons gamma.<br />Le but de cette thèse a été d'étudier la possibilité d'utiliser du xénon liquide, les propriétés intrinsèques de ce scintillateur en faisant un candidat intéressant pour une application en imagerie fonctionnelle. L'étude de faisabilité a été réalisée en tenant compte des difficultés techniques inhérentes à l'utilisation du xénon liquide. <br />Tout d'abord, des simulations d'une TEP au xénon liquide ont été menées à l'aide de méthodes Monte-Carlo. Les résultats obtenus avec un grand volume de détection laissent envisager une réduction de l'activité de radioélément injectée au patient ainsi qu'une amélioration de la résolution spatiale de l'image et une suppression de l'effet de parallaxe.<br />La seconde partie de cette thèse s'est portée sur un nouveau concept d'imagerie médicale à trois photons, basée sur l'utilisation de scandium 44. Associé à une camera TEP classique, le télescope Compton est chargé de mesurer la direction d'arrivée du troisième gamma par triangulation. Il est alors possible de reconstruire directement la position de l'émetteur dans les trois dimensions. <br />Ces travaux ont convaincu la communauté scientifique d'accompagner la construction et la caractérisation d'un télescope Compton au xénon liquide. La première caméra dédiée a l'imagerie du petit animal devrait ainsi voir le jour a l'horizon 2009.

Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3<br />dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.

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La collaboration MUNU se propose d'etudier la diffusion neutrino-electron avec pour objectif la mesure du moment magntique du neutrino, qui pourrait etre responsable de l'enigme des neutrinos solaires. Le principe de fonctionnement de cette experience, situee aupres d'un reacteur nucleaire du Centre de Production Electrique de Bugey (France), est base sur une Chambre a Projection Temporelle immergee dans huit tonnes de scintillateur liquide agissant comme blindage actif anti-Compton.

Les Distributions de Partons Généralisées (GPDs) sont des fonctions de structure riches qui contiennent des informations sur les corrélations de quark/ anti-quark, et sur les corrélations entre l'impulsion longitudinale et la position transversale des partons. Ces GPDs sont accessibles via des réactions exclusives durs tels que la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS pour Deeply Virtual Compton Scattering), à savoir la leptoproduction d'un photon réel où le photon est émis par la cible. La DVCS nucléaire ouvre une nouvelle voie pour explorer la nature des modifications moyennes des hadrons dans le milieu nucléaire. Dans ce travail, nous présentons la première mesure exclusive du processus DVCS sur l'hélium-4 avec un faisceau d'électrons polarisés longitudinalement de 6 GeV et le détecteur CLAS dans le Hall B au Jefferson Lab, États-Unis. L'hélium-4 est d'un intérêt particulier il n'a qu'une seul GPD, en raison de son spin 0. Le but de cette étude est de comprendre les modifications nucléaires de distributions de partons. Dans notre expérience, le détecteur CLAS a été amélioré avec une Chambre à Projection Temporelle Radiale (RTPC pour Radial Time Projection Chamber) pour détecter les noyaux de recul de faible énergie, et un calorimètre intérieur (IC) pour détecter les photons produit à petits angles. Les détails de la structure, de l'étalonnage et du fonctionnement de la RTPC sont présentés. Ensuite, l'analyse des données et la mesure des asymétries faisceau-spin du processus DVCS sont présentés. / The Generalized Parton Distributions (GPDs) are rich structure functions that contain information on quark/anti-quark correlations, and on correlation between longitudinal momentum and the transverse spatial position of partons. These GPDs are accessible via hard exclusive reactions such as Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), i.e. the leptoproduction of a real photon where the photon is emitted by the target hadron. Nuclear DVCS opens a new avenue to explore the nature of medium modifications at the partonic level. In this work, we present the first exclusive measurement of the DVCS process off helium-4 with a longitudinally polarized electron beam of 6 GeV using the CLAS detector in the experimental Hall-B at Jefferson Lab, USA. The helium-4 is of particular interest since the number of GPDs is reduced to one, because of its spin zero. The aim of this study is to understand the nuclear medium modifications of parton distributions. In our experiment, the CLAS detector was upgraded with a Radial Time Projection Chamber (RTPC) to detect the low-energy recoil nuclei, and an Inner Calorimeter (IC) to detect the forward going photons. The details of the structure, calibration and working principle of the RTPC will be presented. Then, the measurement of the beam-spin asymmetries in the DVCS channel will be presented.

Le détecteur MUNU, destiné à l'étude de la diffusion neutrino sur électron à l'aide des antineutrinos émis par un réacteur nucléaire, est constitué d'une chambre à projection temporelle (TPC) contenant du gaz CF4. L'objectif de la thèse était de déterminer si un détecteur basé sur le même principe pouvait être envisagé pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos solaires de basse énergie. Pour cette étude, trois aspects étaient essentiels : la résolution en énergie, la résolution angulaire et le bruit de fond du détecteur. Les deux premiers car l'énergie du neutrino est reconstituée à partir de l'énergie et de la direction initiale de l'électron de recul. Le troisième car le faible nombre d'interactions attendu impose un niveau de bruit de fond très bas. Dans un premier temps, une revue détaillée de la physique des neutrinos solaires du point de vue théorique mais aussi expérimental est réalisée puis les caractéristiques du détecteur MUNU et son principe de fonctionnement sont exposés. Ensuite, les performances du détecteur sont abordées successivement : les méthodes d'étalonnage en énergie développées et la résolution en énergie qui en découle ; la détermination de la direction initiale des électrons et la résolution angulaire associée ; et enfin les différentes sources de bruit de fond rencontrées ainsi que les taux d'événements induits. Finalement, les résultats de la simulation de la détection des neutrinos solaires sont présentés. Ils mettent en évidence les améliorations nécessaires et les points exigeant des études supplémentaires.

Le document présente la problématique de la détection directe de matière noire dans le cadre des expériences XENON100 et MIMAC. Après une introduction générale sur la matière noire et sur les signaux attendus dans un détecteur terrestre, les deux projets sont passés en revue en se concentrant sur les aspects expérimentaux. L'accent est mis particulièrement sur la caractérisation des performances des détecteurs et sur les bruits de fonds associés.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC.

M. Tech. (Biotechnology, Faculty of Applied and Computer Science), Vaal University of Technology / Tulbaghia violacea Harv. (wild garlic) has been used in traditional medicine in Southern Africa for the treatment of various ailments. Despite the widespread use and popularity of this medicinal plant as a herbal medicine, there is contradictory evidence regarding the safety and toxicity of the plant. The phytochemical profiling of the plant has also been neglected in research. The determination of chemical constituents present in plant material as well as the potential toxicity found in plants are preliminary steps necessary for the discovery and development of novel therapeutic agents with improved efficacy. The aim of this study was to evaluate the cytotoxic and genotoxic potential of crude extracts from the leaves, stems and roots of T. violacea. This was performed in vitro using aqueous and ethanol extracts of the leaves, stems and roots. The aim of the study was achieved by three major objectives; (1) to identify the active phytocompounds present in the leaves, stems and roots, (2) to assess the cytotoxicity using the MTT (3-(4, 5-dimethylthiazolyl-2)-2, 5-diphenyltetrazolium bromide) cell proliferation assay, and (3) to evaluate the genotoxic potential of the leaf, stem and root water extracts using the Allium cepa assay. A total of 14 phytochemicals were each extracted separately with distilled water and 70% ethanol by maceration from the leaves, stem and roots of T. violacea. The results of the qualitative phytochemical analysis showed that pharmacologically active compounds such as tannins, terpenoids, flavonoids, saponins, proteins, steroids, cardiac glycosides, phenols and coumarins were present in some organs of T. violacea. However, phlobatannins, leucoanthocyanins, alkaloids, carbohydrates and anthocyanins were absent in all plant parts. Overall, the leaves of the plant contained more active compounds than those present in the stems and roots when both water and 70% ethanol were used as the extractants. The quantitative phytochemical analysis for the Total Flavonoids Content (TFC) and Total Phenolic Contents (TPC) was also assessed. The water (0.027 mg/g) and 70% ethanol (0.053 mg/g) were most effective in extracting flavonoids from the leaves while the least amounts were obtained from the stems and roots. This observation was similar to the TFC were the water extracts of the leaves were the most effective in extracting phenols followed by the stems and roots. The MTT assay was conducted using two cell lines RAW 264.7 and C2C12. The experiment was conducted in triplicates for the leaf, stem and root extracts (water and ethanol) of T. violacea. The experimental design employed a 23 factorial design where three independent variables (concentration, incubation time and type of extracts) were selected using two levels for each variable (high (+) and low (-)). The results illustrated that both the water and ethanol vi extracts only showed a significant reduction in the number of viable cells at the concentration higher than 250 μg/ml treatment for both RAW 264.7 and C2C12 cells. The ethanol extracts from the leaves, stems and roots were found to be toxic towards the RAW 264.7 cells even at lower concentrations at both 24 and 48 h incubation periods (% cell viability < 50%). The water extracts were non-toxic to RAW 264.7 cells except for the water stem extract which showed toxicity after 48 h incubation (IC50 = 9.475 (4.061 to 23.39)). For the C2C12 cells, the lowest potent toxic concentration was 250 μg/ml for the ethanol extract of the stem after 48 h incubation. Overall, the T. violacea plant extracts were non-toxic as percentage cell viability greater than 50% was noted for both extraction solvents in all the plant parts of T. violacea. No cytotoxic activity was observed in all T. violacea plant parts with the C2C12 cell line (IC50 > 30 μg/ml). For the Allium cepa assay, only the water crude extracts of the leaves, stems and roots of T. violacea were used. A similar trend of potent genotoxic activity in the water stem extracts compared to the leaf and root extracts at the concentration ranges studied. Similar to the MTT assay, it is clear from the study that at higher concentrations, the water crude extracts from the leaves, stems and roots of T. violacea is toxic. From this study, it can be concluded that the extraction of compounds using water is more efficient than using ethanol. Overall, the T. violacea leaf extracts extracted the most phytocompounds and showed the highest percentage of viable cells as well as desirable IC50 values. However, preparation of herbal remedies using T. violacea plant extracts should be done with caution due to their possible genotoxic and cytotoxic potential at higher concentrations. This study raises a need to further conduct in vivo cytogenetic studies to ascertain the possible toxic effects of T. violacea crude extracts.