La construction d'un futur collisionneur linéaire e+/e− est prévue pour obtenir des mesures précises (à l'échelle du T eV ) qui seraient complémentaires de celles obtenues du LHC. Un des défis de ce collisionneur linéaire sera de focaliser le faisceau à des tailles transverses nanométriques au point d'interaction, afin d'obtenir une importante luminosité de quelques 10^−34 cm^2 s^−1 . Les deux projets de collisionneur linéaire (ILC et CLIC) requièrent un système de distribution du faisceau partageant le même schéma de correction de chromaticité locale dans le système de focalisation finale. ATF2 à KEK (Japon), une implémentation de ce schéma mis à l'échelle en énergie, utilise le faisceau extrait d'ATF, qui est un des meilleurs anneaux d'amortissement au monde. Les objectifs d'ATF2 sont de prouver la faisabilité et la stabilité du système de focalisation finale et de définir et tester les procédures de corrections expérimentales. Les tailles nominales du faisceau au point d'interaction sont de 3µm horizontalement et 37nm verticalement. Le travail de thèse a commencé avant la mise en service et en couvre la première année à KEK. Au début, nous avons observé que les BPMs 'stripline' ne fonctionnaient pas correctement, nous avons donc examiné leurs comportements en détail. Le problème a été caractérisé puis résolu plus tard, en 2010, en changeant l'électronique. Nous avons alors développé une procédure efficace pour vérifier la modélisation de la ligne de faisceau, en comparant les mesures des matrices de transfert aux prédictions du modèle calculé en direct. Après avoir obtenu un bon accord, nous avons pu tester avec succès l'algorithme de correction de trajectoire que nous avions développé, réduisant la différence entre les mesures obtenues par les BPMs et les valeurs cibles jusqu'à 0.5mm horizontalement et 0.2mm verticalement. Nous avons aussi développé avec succès un algorithme pour reconstruire les fluctuations de la trajectoire du faisceau pour chaque paquet avec une résolution inférieure au micron. Cette reconstruction détermine aussi les fluctuations en énergie, permettant un ajustement général de la fonction de dispersion sur la longueur de la ligne de faisceau avec une précision de quelques millimètres, dominé par les erreurs systématiques provenant des matrices de transfert et des incertitudes sur les facteurs d'échelles des BPMs. Une méthode simple et robuste de réglage de la taille du faisceau à l'IP utilisant des déplacements de sextupoles a aussi été étudiée en simulation. Les performances indiquent que, en faisant quelques hypothèses sur le niveau d'erreur du faisceau, la convergence à 20% de la taille nominale devrait être possible en 8 heures avec une probabilité de 80%. Les premiers résultats expérimentaux de telles méthodes de réglages de la taille du faisceau sont actuellement en cours pour 2010 et 2011.

Linear colliders are an option for lepton collision at several TeV. The Compact Linear Collider (CLIC) aims at electron and positron collisions at a centre of mass energy of 3 TeV. In CLIC, the main accelerating structures are designed to operate at an X-band frequency of 12 GHz with an accelerating gradient of 100 MV/m. Two significant issues in linear accelerators that can prevent high gradient being achieved are electrical breakdown and wakefields. The baseline design for the CLIC main linacs relies on a small aperture size to reduce the breakdown probability and a strong damping scheme to suppress the wakefields. The strong damping scheme may have a higher possibility of electrical breakdown. In this thesis an alternative design for the main accelerating structures of CLIC is studied and various aspects of this design are discussed. This design is known as a Damped and Detuned Structure (DDS) which relies on moderate damping and strong detuning of the higher order modes (HOMs). The broad idea of DDS is based upon the Next Linear Collider (NLC) design. The advantages of this design are: well damped wakefields, minimised rf breakdown probability and reduced size of the structure compared to the strong damping design. Procedures necessary to minimise the rf monopole fields and enhance the wakefield suppression are discussed. The rf as well as mechanical designs of a test structure are presented. This unique design forms the basis of this research and allows both the electrical breakdown and beam dynamics constraints to be simultaneously satisfied.

The compact linear collider (CLIC) is a leading candidate for the next generation high energy linear collider. As any breakdown would result in a partial or full loss of luminosity for the pulse in which it occurs, obtaining a low breakdown rate in CLIC accelerating structures is a critical requirement for the successful operation of the proposed collider. This thesis presents investigations into the breakdown phenomenon primarily in the low breakdown rate regime of interest to CLIC, performed using the CERN DC spark systems between 2011 and 2014.The design, construction and commissioning of several new pieces of hardware, as well as the development of improved techniques to measuring the inter-electrode gap distance are detailed. These hardware improvements were fundamental in enabling the exciting new experiments mentioned below, which in turn have provided significant additional insight into the phenomenon of breakdown. Experiments were performed o measure fundamental parameters of individual breakdowns, including, the turn-on time and the delay before breakdown in order to gain an improved understanding of how breakdowns are triggered and the underlying process behind them. The turn-on time measurements are the highest bandwidth measurements made to date with the CERN DC systems and are closer than ever before to the value which is expected from the present understanding of breakdown simulations. Another key measurement was that of the breakdown rate scaling with electric field. Previous investigations of this relationship in the DC systems were unable to investigate breakdown rates below 10^3 breakdowns per pulse. These new results are able to investigate this relationship down to a breakdown rate of 10^-8 and are hence a considerable improvement. Thanks to these improved results a remarkable similarity to the scaling of the breakdown rate with electric field in RF cavities was discovered. The conditioning, or change in breakdown rate over time was also studied for the first time in the CERN DC spark systems as well as the newly built fixed gap system. The qualitative conditioning behaviour of the Fixed Gap System again showed interesting similarities to that observed in RF structures. Preliminary studies into the effect of pulse length and magnetic field on the breakdown rate were conducted as well. This is the first time the effect of a DC magnetic field was studied in a DC spark system and in contrast to experiments in RF cavities no statistically significant effect was observed. The dependence of the breakdown rate on pulse length, again the first measurement of its kind in a DC system also revealed a similar scaling law to that observed in RF accelerating structures. Both of these preliminary measurements would need to be repeated to confirm the results.

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Le compact linear collider (CLIC) est le projet de collisionneur de particules proposé par l'organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) visant à succéder au large hadron collider (LHC). Du fait des dimensions nanométriques des faisceaux de leptons de ce projet, les accroissements admissibles de l'émittance sont extrêmement faibles. Cela a pour conséquence des tolérances d'alignement des composants du CLIC jamais atteintes. La dernière étape de l'alignement sera effectuée par rapport au faisceau de particules du CLIC. Elle est du ressort des physiciens du faisceau. Toutefois son implémentation nécessite un pré-alignement qui lui-même représente un défi métrologique et géodésique : atteindre 10 μm à 3σ le long d'une fenêtre coulissante de 200 m. Un tel niveau de précision requiert le développement d'une méthode compatible avec des systèmes de repositionnement qui seront constamment sollicités. Le pré-alignement du CLIC devra être actif. Cette thèse ne démontre pas la faisabilité du pré-alignement actif du CLIC mais montre le chemin des derniers développements à effectuer dans ce but. Il y est proposé une méthode, fondée sur la gestion des similitudes entre systèmes euclidiens de coordonnées, qui, de la géodésie aux mesures métrologiques, est susceptible d'apporter la solution. Des expériences sur de longues distances ont été construites dans le but d'éprouver, en parallèle de simulations de Monte-Carlo, les modèles mathématiques des systèmes de mesure et des références d'alignement ainsi créés. L'extrapolation de ces modèles, une fois validés expérimentalement, sur toute la longueur du CLIC, sera la dernière étape prouvant la faisabilité du pré-alignement / The compact linear collider (CLIC) is the particles accelerator project proposed by the european organization for nuclear research (CERN) for high energy physics after the large hadron collider (LHC). Because of the nanometric scale of the CLIC leptons beams, the emittance growth budgetis very tight. It induces alignment tolerances on the positions of the CLICcomponents that have never been achieved. The last step of the CLIC alignment will be done according to the beam itself. It falls within the competence of the physicists. However, in order to implement the beam-based feedback, a challenging pre-alignment is required: 10 μm at 3σ along a 200 m sliding window. For such a precision, the proposed solution must be compatible with a feedback between the measurement and repositioning systems. The CLIC pre-alignment will have to be active. This thesis does not demonstrate the feasibility of the CLIC active prealignment but shows the way to the last developments that have to be done for that purpose. A method is proposed. Based on the management of the Helmert transformations between Euclidian coordinate systems, from the geodetic networks to the metrological measurements, this method is likely to solve the CLIC pre-alignment problem. Large scale facilities have been built and Monte-Carlo simulations have been made in order to validate the mathematical modelings of the measurement systems and of the alignment references. When this is done, it will be possible to extrapolate the modelings to the entire CLIC length. It will be the last step of the demonstration of the CLIC pre-alignment feasibility

Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ – e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 – 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 – 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ – e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie. / During the next few years experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN will continue to explore carefully fundamental high energy physics principles at a an energy domain which has never been reached before. Possible designs for the next-generation lepton Linear Collider (LC) based on e+–e- collisions have already been proposed to perform high precision studies complementary to the LHC. In this framework, there are two large projects: the International Linear Collider (ILC) exploring a centre-of-mass energy range of de s = 0.5 – 1 TeV and the Compact Linear Collider (CLIC) expected to operate at s = 0.5 – 3 TeV. The physics programme of the future LC will benefit strongly of colliding both polarised electron and positron beams. This thesis introduces the polarized positron source as one of the key element of the future LC. In this context, the different schemes of the polarized positron source are described highlighting the main issues in this technology. In particular, the main focus is on the Compton based positron source adopted by the CLIC as a preferred option for the future positron source upgrade. In this case, the circularly polarized high energy gamma rays resulting from Compton scattering are directed to a production target where an electromagnetic cascade gives rise to the production of positrons by e+–e- pair conversion. To increase the efficiency of the gamma ray production stage, a multiple collision point line integrated in energy recovery linac is proposed. The simulations of the positron production, capture and primary acceleration allow to estimate the positron production efficiency and provide a simple parametrization of the Compton based polarized positron source in the view of the future LC requirements. The storage ring based Compton source option, so-called Compton ring, is also described. The main constraint of this scheme is given by the beam dynamics resulting in the large energy spread and increased bunch length affecting the gamma ray production rate. An original theoretical contribution is shown to calculate the energy spread induced by Compton scattering. Moreover, an experiment to test the gamma ray production by Compton scattering using a state-of-art laser system developed at LAL has been conducted in the framework of the "MightyLaser" project at the ATF, KEK. The experimental layout as well as the main results obtained are discussed in details. The studies carried out in this thesis show that the polarized positron source based on Compton scattering is a promising candidate for the future LC polarized positron source. To attain the required performance, further developments and R&D in field of the high power laser systems, optical cavities and high current electron accelerators such as the energy recovery linacs should be pursued in the future.

Der Kompakte Linearbeschleuniger CLIC, ist ein Konzept für einen zukünftigen Elektron– Positron Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 3 TeV. Die hohen Ladungsdichten, verursacht durch kleine Strahlgrößen, und die hohe Strahlenergie am CLIC, führen zur Produktion einer großen Menge von Teilchen durch Strahl-Strahl-Wechselwirkungen. Ein großer Teil dieser Teilchen wird den Detektor ohne Wechselwirkung verlassen, aber eine signifikante Menge Energie wird dennoch im Vorwärtsbereich des Detektors deponiert. Dadurch werden Sekundärteilchen erzeugt, von denen Einige Untergrund im Detektor verursachen werden. Es werden auch einige Teilchen mit inhärent großem Polarwinkel erzeugt, die direkt Untergrund in den Spurdetektoren und Kalorimetern verursachen können. Die Hauptursache von Untergrund im Detektor, entweder direkt oder durch Sekundärteilchen, sind inkohärente e+e− Paare und Teilchen aus hadronischen Zwei-Photon Ereignissen. Die Untergrund- und Strahlungspegel im Detektor müssen bestimmt werden, um zu untersuchen, ob ein Detektor mit den Untergrundbedingungen bei CLIC zurechtkommen kann. Mit Hilfe von Simulation der inkohärenten Paare in dem auf GEANT4 basierendem Programm MOKKA, wird die Geometrie eines auf Detektors für CLIC optimiert um den Untergrund im Vertexdetektor zu minimieren. In diesem optimiertem Detektor werden die Untergrund- und Strahlungspegel durch inkohärente e+e− Paare und hadronischen Zwei-Photon Ereignissen bestimmt. Des Weiteren wird die Möglichkeit untersucht, ob Schauer von hochenergetischen Elektron bei kleinen Polarwinkeln im BeamCal zu identifizieren sind. / The high charge density—due to small beam sizes—and the high energy of the proposed CLIC concept for a linear electron–positron collider with a centre-of-mass energy of up to 3 TeV lead to the production of a large number of particles through beam-beam interactions at the interaction point during every bunch crossing (BX). A large fraction of these particles safely leaves the detector. A still significant amount of energy will be deposited in the forward region nonetheless, which will produce secondary particles able to cause background in the detector. Furthermore, some particles will be created with large polar angles and directly cause background in the tracking detectors and calorimeters. The main sources of background in the detector, either directly or indirectly, are the incoherent e+e− pairs and the particles from gamma gamma to hadron events. The background and radiation levels in the detector have to be estimated, to study if a detector is feasible, that can handle the Compact Linear Collider (CLIC) background conditions. Based on full detector simulations of incoherent e+e− pairs with the GEANT4 based MOKKA program, the detector geometry of a CLIC detector is optimised to minimise the background in the vertex detector. Following the optimisation of the geometry, the background and radiation levels for incoherent pairs and gamma gamma to hadron events are estimated. The possibility of identifying high energy electron showers with the most forward calorimeter, the BeamCal, is investigated.

La première partie rapporte la caractérisation de prototypes de chambre MICROMEGAS en tests sous faisceaux et en laboratoire. L'étude détaille notamment l'efficacité de détection, la multiplicité de la réponse et dépendance du gain du détecteur vis à vis des conditions environnementales. Dans la seconde partie, La détection d'un boson de jauge Z', prédit par différends modèles de types Randal-Sundrum est étudiées dans le cadre de l'expérience CLIC. Le canal considéré implique l'émission du Z' par une paire de quarks top. Le Z' se désintègre ensuite en particules de matière noire. / The first part of the thesis reports on the characterisation of MICROMEGAS prototypes in beam and laboratory tests. Detection efficiency, response multiplicity and detector gain dependency against environmental conditions are detailed. In the second part, the detection of a Z' gauge boson predicted by a Randal & Sundrum inspired model together with a dark matter candidate (nu') is investigated in the framework of the CLIC experiment. The considered channel involves a top quark pair emmiting the Z' which, in turn, decays into nu', anti-nu'.

Ce travail de doctorat est consacré à l'étude du système d'alignement du CLIC, projet d'accélérateur linéaire de particules de plus de 30km de long mené par l'Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire. L'aspect le plus remarquable de ce projet réside dans la précision très contraignante de ±10 microns sur 200m qu'il faut atteindre sur l'alignement relatif des éléments de l'accélérateur.<br />Cette thèse se situe dans le prolongement de travaux entrepris depuis 10 ans. Ceux-ci avaient notamment permis de sélectionner un certain nombre de capteurs métrologiques susceptibles de répondre aux besoins du CLIC. Or la plupart de ces capteurs effectuent leurs mesures par rapport à des références géométriques sensibles à la gravité. Le niveau élevé de précision requis nous a donc conduit à consacrer une partie importante de ce travail à l'effet des perturbations de la gravité sur l'utilisation de ces capteurs. Cela a permis de mettre en évidence les effets qui devront être pris en compte et de dégager les interrogations qui subsistent encore sur l'utilisation des niveaux hydrostatiques.<br />Cette recherche avait également pour but d'établir une proposition de configuration du système d'alignement, basée sur l'utilisation des capteurs sélectionnés. Il s'agissait donc d'effectuer des simulations des précisions obtenues avec les différentes configurations possibles. L'outil de calcul disponible étant inadapté, un effort majeur a été consacré au développement d'un nouveau logiciel. Les méthodologies orientées-objet se sont avérées être très bénéfiques dans ce contexte et ont permis la mise au point d'un outil évolutif adapté à des projets de recherche. Les simulations effectuées ont permis de définir une configuration optimale du réseau.<br />Enfin, en raison des problèmes peut-être insolubles que pose l'utilisation des capteurs hydrostatiques, nous avons mené une réflexion qui nous a permis d'ébaucher assez précisément une solution alternative basée sur l'utilisation d'un long faisceau laser.

This thesis presents studies on a novel ‘meta-material’ as a potential candidate to replace the traditional Electro-Optic crystals (GaP, ZnTe) used in ultrashort bunch monitors for electron/positron accelerators. This study is aimed at showing the linear and non-linear optical properties of such materials, and creating a toolbox for both optical characterisation and manipulation of their properties using an ultra-short pulsed laser. The material studied throughout this thesis is a composite of silver nanoparticles (a “nanocomposite”) embedded within soda-lime glass. The Surface Plasmon Resonance (SPR) is a feature of these particles that is responsible for its unique optical properties. It is shown in this work how SPR is utilised for shape modification of silver nanoparticles with the use of a ps- pulsed laser with various laser beam polarisations. The impact of linear polarisation irradiation is investigated. It is found that multipulse irradiation has the effect of elongating nanoparticles to form prolate spheroids, which results in a dichroic effect on the composite as a whole, caused by the anisotropic SPR band shift. It is also shown that changing the laser polarisation from linear to radial and/or azimuthal changes the character of the reshaped nanoparticles. It was observed that a localised change of ellipsoid orientation is achieved, resulting in a non-directionally-dependent SPR band shift. Second Harmonic Generation (SHG) has been observed from reshaped nanoparticles embedded in soda-lime glass. A comparison of the effect was made between ps-pulsed reshaped, fs-pulsed reshaped and mechanically stretched samples containing silver nanoparticles. Multiphoton Absorption Induced Luminescence (MAIL) was observed along with the SHG and characterised for the various laser polarisation components. The dependence of the aforementioned effects on the elongated nanoparticle aspect ratio was shown to have a great impact. A novel method for reshaped nanoparticles characterisation is presented. It is based on the laser-induced SHG and MAIL signal and is proved to give a precise measurement of the nanoparticle shape and orientation. Frequency Resolved Optical Gating (FROG) measurement of a fs-pulse is measured with great accuracy, in the case where the BBO nonlinear crystal is replaced by the reshaped nanoparticle composite. This was demonstrated to be caused by the anisotropic SHG of the ellipsoidal nanoparticles. Preliminary THz based measurements were performed as a part of a feasibility study of the application of these composites in the EO-based detection of ultrashort electron bunches. Future work is suggested in order to achieve more efficient EO detection.