Dans cette thèse nous présentons la conception, l'étude des performances et les premiers tests, effectues au Cosmic Muon Telescope situe au SLAC, d'un nouveau détecteur d'identification des particules émises dans la région ''avant'' du détecteur SuperB.Ce détecteur est base une technique de temps de vol (TOF). Pour identifier les particules avec une impulsion jusqu'à 3GeV/c et une distance de vol de l'ordre de deux mètres nous avons besoin d'un détecteur TOF capable de mesurer le temps avec une précision typique de 30 ps. Pour atteindre cet objectif nous avons conçu un composant pour lequel le passage d'une particule chargée produit de la lumière Cherenkov dans un ''fused silica'' (quartz) radiator qui est ensuite détectée par des photodétecteurs tres rapides et une électronique rapide dédiée. Nous l'appelons détecteur DIRC-like TOF.Les photodétecteurs HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT ont été caractérises sur faisceau de test au LAL et la résolution en temps d'environ 37 ps a été mesurée. La nouvelle électronique 16-canaux USB WaveCatcher développée au LAL(CNRS/IN2P3) et CEA/IRFU montre un jitter de moins de 10 ps. La géometrie du détecteur a quartz a été étudiée avec une attention particulière a l'aide d'une simulation Geant4. Celle-ci montre que la meilleure géométrie permet d'atteindre une résolution en temps d'environ 90 ps par photoélectron avec au moins 10 photoélectrons détectés, donnant en moyenne la résolution totale désirée de 30 ps.Nous avons construit un prototype d'un tel composant, utilisant les barres de quartz utilisées pour l'expérience Babar et nous l'avons installe dans le Cosmic Ray Telescope au SLAC. Une résolution en temps d'environ 70~ps par photoélectron a été obtenue, en accord avec la simulation.Cette preuve de principe a convaincu la Collaboration SuperB d'adopter un tel composant comme solution de base pour l'identification des particules émises vers l'avant dans SuperB. Le point délicat, encore ouvert, est celui de la résistance de ce détecteur aux bruits de fond de la machine.Dans cette thèse nous présentons aussi les études préliminaires de différents types de bruit de fond et leur effet sur les performances du détecteur DIRC-like TOF. Le processus Bhabha radiatif est de loin la source dominante de bruit de fond. Le taux de photoélectrons de bruit de fond principalement du aux gammas d'énergie d'environ 1.4 MeV est estimée a ~480 kHz/cm^2 ce qui correspond a 2 C/cm^2 de charge d'anode integrée sur 5 ans. Le flux de neutrons traversant l'électronique de front end du détecteur DIRC-like TOF est estimée a ~10^11/cm^2/year. Ces résultats préliminaires sont rassurants. / In this thesis, we present the conception, the performances studies and the first tests in the Cosmic Muon Telescope situated at SLAC of a new detector for the particle identification in the forward region of the SuperB detector.This detector is based on time-of-flight (TOF) technique. To identify the particles with momentum up to 3 GeV/c and flight base around two meters we need a TOF detector able to measure the time with a precision of about 30 ps. To achieve this goal we have conceived a device producing Cherenkov light in a fused silica (quartz) radiator, by a charged particle, which then detected with very fast photodetectors and dedicated ultrafast electronics. We call it, the DIRC-like TOF detector.For what concern the photodetectors, the HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT has been characterized at LAL test bunch and the time resolution of about 37 ps has been measured. The new 16-channel USB WaveCatcher electronics developed by LAL (CNRS/IN2P3) and CEA/IRFU has shown to have a jitter of less than 10 ps. The geometry of the quartz detector has been then carefully studied with Geant4 simulation. Which shows that the best detector geometry allow to reach the time resolution of about 90 ps per photoelectron with at least 10 photoelectrons detected, giving in average the desired 30 ps total time resolution.We have constructed a prototype of such device, using the quartz bars available from the Babar experiment, and we have installed it, in the SLAC Cosmic Ray Telescope. A time resolution of about 70 ps per photoelectron was obtained, in agreement with simulation.This proof-of-principle has convinced the SuperB Collaboration to adopt such a device as the baseline for the SuperB particle identification detector in the forward region. The delicate point which is still opened is the resistance of this detector to the machine background.In this thesis we also present preliminary studies of different types of background and their effect on the performances of the DIRC-like TOF detector. Radiative Bhabha process is by far the dominant source of background. The rate of the background photoelectrons caused mainly by the gammas with energy around 1.4 MeV is estimated to be ~480 kHz/cm^2 which corresponds to 2 C/cm^2 of integrated anode charge in 5 years. The neutron flux thought the DIRC-like TOF front end electronics is ~10^11/cm^2/year. These preliminary results are reassuring.

L'experience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constiture de quatre imageurs Cherenkov atmospheriques dedies a l'observation de sources astrophysiques de l'hemisphere austral emettant des photons au-dela de 100 GeV. Cette these presente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaine d'analyse associee. Les methodes d'etalonnage du systeme sont detaillees et les erreurs systematiques sur l'amplitude des images sont estimees. Ensuite, une methode d'analyse des donnees, basee sur un modele semi-analytique de developpement des gerbes electromagnetiques dans l'atmosphere, est expliquee. Des methodes de reconstruction du spectre en energie et de la morphologie des sources de gamma haute energie sont presentees puis appliquees a la Nebuleuse du Crabe. Les erreurs systematiques associees a l'analyse spectrale sont estimees. Cette chaine d'analyse est ensuite utilisee pour etudier l'emission du Centre Galactique au-dela de 100 GeV. Les differentes observations menees en 2003 et 2004 ont mis en evidence un signal dont l'origine n'est pas encore connue. Le spectre, la variabilite et la morphologie de la source sont etudies. De nombreux candidats sont proposes, en particulier le trou noir supermassif Sgr A* situe au centre dynamique de la Voie Lactee, le reste de supernova Sgr A Est ou des interactions de particules accelerees sur le milieu dense de cette region. Dans cette these, le signal est interprete comme provenant de l'annihilation de particules de matiere noire non baryonique (neutralinos ou bosons de Kaluza-Klein) dans un halo dense situe au Centre Galactique. Cette analyse indique que le signal ne provient pas exclusivement d'annihilation de matiere noire dans le cadre des modeles etudies, et que la composante dominante serait donc de nature astrophysique.

Le réseau d'imageurs Cherenkov atmosphériques HESS (High Energy Stereoscopic System) est présenté. La simulation des gerbes atmosphériques et de l'instrument est détaillée et comparée aux données obtenues pendant les six premiers mois de fonctionnement. Après la présentation des méthodes d'étalonnage et d'extraction du signal gamma, ces techniques sont appliquées aux données prises sur la nébuleuse du Crabe. On obtient un signal significatif permettant d'estimer un flux différentiel à 1 TeV en accord avec les résultats obtenus par d'autres expériences dans le même domaine en énergie. Ces résultats sont exploités pour estimer le potentiel de détection de HESS au signal gamma d'annihilation de neutralinos en provenance du centre galactique et de l'amas globulaire Omega du Centaure. Dans cette étude, une modélisation des halos de matière noire est confrontée aux observations astrophysiques.

Basée sur la reconversion de la centrale solaire THEMIS (Pyrénées Orientales françaises) en télescope pour l'astronomie gamma, CELESTE est la première expérience à explorer le spectre électromagnétique entre 10 GeV et 300 GeV et à relier ainsi le domaine des satellites à celui des imageurs au sol. Ce domaine d'énergie est particulièrement important pour les pulsars. En effet, aucun des six pulsars gamma haute énergie détectés par EGRET n'a été détecté au sol. Deux modèles théoriques visent à expliquer la cassure des spectres observée entre 1 et 100 GeV : calotte polaire et cavité externe. Ceux-ci diffèrent toutefois en plusieurs points et une détection dans ce domaine d'énergie permettrait d'éclaircir la situation. Cette thèse regroupe les premiers travaux dédiés à l'étude des pulsars avec CELESTE, et plus particulièrement deux candidats : le pulsar du Crabe et PSR B1951+32. La recherche d'un signal pulsé sous-entend une analyse quelque peu différente de celle développée pour les sources continues. Une première étape a donc consisté en l'adaptation à CELESTE de la procédure de datation spécifique. Dans une seconde étape, l'objectif de ce travail a été de développer une analyse spécifique préservant les basses énergies où est attendu un éventuel signal. Ainsi, en se basant sur les acquis des analyses précédentes et sur les caractéristiques des gerbes électromagnétiques et hadroniques en dessous de 50 GeV, des critères de réjection particuliers ont pu être établis et appliqués aux données. Les résultats résident essentiellement dans l'établissement de nouvelle limites supérieures sur l'énergie de coupure basse des deux pulsars observés. Bien qu'insuffisants pour contraindre les modèles théoriques, ceux-ci restent d'un intérêt certain pour la physique de ces objets ne serait ce que parce qu'ils constituent les premières mesures réalisées dans cette gamme d'énergie. Un excès a malgré tout été observé sur le Crabe mais avec une significativité insuffisante. Cette indication de modulation présentant les propriétés attendues, elle a été traduite en terme de flux dans l'hypothèse d'un signal pulsé, puis interprétée. Si de nouvelles observations venaient a confirmer cet excès, il s'agirait de la première détection autour de 30 GeV et le modèle Polar Cap se verrait alors sérieusement remis en cause.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.

<p> Nuclear waste management and nonproliferation are among the critical tasks to be addressed for the advancement of nuclear energy in the United States. In this regard, monitoring spent nuclear fuel (SNF) and special nuclear materials (SNM) is important to continue reliable stewardship of SNF management and prevent SNM proliferation. Cosmic ray muons have been used for imaging large and dense objects, e.g., SNF dry casks, the Fukushima Daiichi unit-1 reactor, and the great pyramid of Giza. Despite their potential and success, the wide application of cosmic ray muons is limited by the naturally low intensity at sea level, approximately 10⁴ m^-2min^-1. For example, when imaging large objects, time consuming measurements typically in the order of several days or even weeks, are frequently needed to collect a statistically significant amount of muon samples to reconstruct images using muon tomography. However, when scanning time is of essence, e.g., treaty verification, low resolution imaging can result in potentially undetected diversion of nuclear materials.</p> <p>To maximize the utilizability of cosmic ray muons in engineering and physics applications, two important quantities–scattering angle and momentum–must be measured. Although many studies have demonstrated that there are significant benefits when measuring momentum in muon applications, measuring both the muon scattering angle and muon momentum in the field remains a challenge. To fill this critical gap, a novel concept using multi-layer pressurized gas Cherenkov radiators that is fieldable to allow muon momentum measurement in the field is presented in this dissertation. The proposed Cherenkov muon spectrometer is: (i) accurate (~90%) in classifying muon momentum, (ii) lightweight (< 10 kg) for easy transport and deployment in the field, (iii) compact (< 1 m³), and (iv) easily coupled with existing muon tomographic systems. Although muon momentum measurement resolution of spectrometers used in high energy physics laboratories, such as CMS or ATLAS of LHC at CERN, is less than 5% for low energy muons, these spectrometers typically (i) use bulky and large solenoidal or toroidal magnets and (ii) interfere with muon trajectories to measure momentum. These characteristics make them unsuitable for field deployment.</p> <p>In this work, the feasibility of using the proposed Cherenkov muon spectrometer coupled with current muon tomographic systems is explored and evaluated using Monte Carlo simulations and reconstruction algorithms. It is shown the use of the proposed Cherenkov muon spectrometer has the potential to improve muon tomographic imaging resolution or reduce measurement time by a factor of 10 or more when used to identify a missing fuel assembly from a SNF dry cask. In addition, a new imaging algorithm is developed that integrates muon momentum and muon scattering without significantly increasing computational cost. Advances in momentum-integrated muon tomography have the potential to improve monitoring and imaging efficiency in various nuclear engineering applications. For example, it can expand current capabilities to continue reliable stewardship in nuclear material management, i.e., Continuity of Knowledge, and prevent SNM proliferation to unauthorized states and parties. The benefit of such an approach is a compact, lightweight, and portable spectrometer that can be deployed in the field to improve existing or explore new engineering applications: muon tomography, geological studies, and cosmic radiation measurement in space.</p>

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[pt] Neste trabalho de tese investigaremos um novo método para medir a fase leptóonica de violação CP, CP , com um set up experimental chamado LiquidO e, estudaremos a possibilidade do futuro experimento Hyper-Kamiokande de pôr um limite sobre o tempo de vida do neutrino. Ambos são experimentos que detectam neutrinos de acelerador que performarão as próprias medições através do estudo do bem conhecido fenómeno da oscilação de sabor de neutrinos. O primeiro experimento considerado possui duas novas características: primeiramente utiliza como fonte de neutrino um fluxo de Vμ e Vμ produzidos por pions (pi+) em repouso a uma distância de 16 km e secondariamente vai usar uma nova forma de detecção. Essa detecção é feita utilizando cintilador liquido opaco com fibras ópticas que permitem distinguir entre e+ e e-. Nós explicaremos as principais propriedades fenomenológicas desta configuração e calcularemos a significância estatística de exclusão da hipótese CP = (0, pi), a precisão de medição de CP com 1δ de confiança estatística e também as regões permitidas no espaço dos parámetros sin2 023 - δ CP . Na segunda parte do nosso trabalho, nos concentraremos no experimento Hyper-Kamiokande, versão melhorada do experimento Super-Kamiokande que se adjudicou o prémio Nobel em 2015. Este é um detector de luz Cherenkov que utiliza um fluxo de Vμ (Vμ) com energias < 10GeV produzido no acelerador JPARC e colocado a uma distância de 295 km. Neste trabalho identificaremos este experimento como T2HK enquanto para a sua estensão na Korea, que utilizará a mesma fonte mas será colocada a 1100 km de distância, utilizaremos a sigla T2HKK. Nós introduziremos brevemente as modalidades de decaimento do neutrino que podem ser classificadas em dois tipos: um é chamado decaimento invisível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um estado estéril mais uma partícula escalar, e o outro e chamdo de decaimento visível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um autoestado de massa ativo mais uma partícula escalar. Em fim calcularemos as sensitividades no limite da vida média do autoestado V3 para os casos de decaimento visível e invisível para as configurações de T2HK e T2HKK. / [en] In this thesis we will study a novel method to measure the leptonic CP violation phase, CP , in an experimental set up called LiquidO, and the possibility by the future experiment Hyper-Kamiokande to put a limit on the neutrino lifetime. Both experiment are accelerator based ones that will use the well established neutrino flavour oscillation phenomenon to perform their measurement. The first experimental set up uses two new features: firstly it uses as a source a flux of Vμ and Vμ coming from pions (pi+) decay at rest with a baseline of 16 km and secondly it uses a new detection method. This new detection is performed using opaque Liquid Scintillator (LS) with optical fibers that allows e+ e- identification. We will discuss the phenomenological main characteristics of this set up and we will calculate the expected significance to exclude the δ CP = (0, pi) hypothesis, the 1δ precision of the CP measurement and also the expected allowed regions in the sin2 023 - δ CP plane. For what it concerns the second part of our work, we will focus on the Hyper-Kamiokande experiment, upgrade of the 2015 Nobel prize awarded Super-Kamiokande. This is a water Cherenkov detector that will use a Vμ (Vμ) flux with a typical neutrino energy < 10 GeV coming from the JPARC facility with a baseline of 295 km. We will call this source-detector configuration T2HK to distinguish T2HKK, the possible extension of this experiment in Korea that will use the same beam but it will be located at 1100 km from the source. We will briefly introduce the neutrino decay mode that can be classified in two types: one is what is called invisible decay , i.e. when neutrino decays into a sterile neutrino state plus a scalar particle, and the other is called visible decay, i.e. when neutrino decays into an active mass eigenstate plus a scalar particle. We will calculate the limit on the V3 lifetime for the invisible and the visible case for both configurations T2HK and T2HKK.

Les dix dernières années ont été marquées par l'arrivée à maturité de la technique d'imagerie Cherenkov atmosphérique, ce qui a permis, notamment grâce au réseau de télescopes HESS, l'ouverture d'une nouvelle fenêtre sur l'Univers non thermique. Ce mémoire d'habilitation retrace dix années de recherche en Astronomie Gamma de Très Haute énergie avec HESS puis CTA. Les aspects techniques tels que la conception de l'instrument, son calibrage, la reconstruction des événements et l'analyse de données sont présentées dans une première partie, tandis que la seconde brosse un panorama des grandes découvertes dans ce domaine.