L’installation n_TOF au CERN est unesource pulsée de neutrons, unique au monde pour lamesure de données nucléaires sur le spectre enénergie le plus étendu, avec deux lignesactuellement exploitées. Une ligne horizontalealimente l’aire expérimentale 1 (EAR-1) avec unebase de vol de ~185 mètres. La seconde ligne estverticale et alimente l’aire 2 (EAR-2) à ~20 mètresde la cible de productionLa première partie de ce travail de thèse concernela caractérisation du faisceau de neutrons (flux,profil géométrique, spectre en énergie) de lanouvelle ligne EAR-2, particulièrement importantepour la définition des expériences et leur analyse.Une mesure a été réalisée à EAR-2, basée sur desdétecteurs PPAC enregistrant la fission de 235U, àpartir de laquelle nous avons obtenu le profil et leflux sur la gamme en énergie accessible (thermiqueà 200 MeV).La seconde partie de la thèse a pour but l’étudede la fission de 237Np. Cet isotope est abondammentproduit dans les réacteurs nucléaires actuels et estun des constituants des déchets à vie longue. A cetitre on peut le considérer comme une ciblepotentielle pour l’incinération en réacteur rapide.Ceci a motivé des mesures récentes de sa sectionefficace de fission. Cependant des déviationsimportantes sont apparues, en particulier la mesureeffectuée à n_TOF en 2010 est 6% supérieure auxévaluations basées sur les mesures antérieures. Cecia motivé une nouvelle mesure à n_TOF avec uneconfiguration permettant une mesure précise del’efficacité de détection, pour apporter une réponseau problème. Ce travail a permis de mettre enévidence une dépendance de l’efficacité dedétection avec l’élément, résultant des conditions del’électrodéposition. Après application de cettecorrection d’efficacité dans la région 1 à 5 MeV lasection efficace de fission ainsi extraite est 2 à 3%plus petite par rapport à la mesure de 2010,cependant elle reste 3 à 4% plus forte que lesévaluations / The neutron time-of-flight (n_TOF)facility at CERN is a unique worldwide pulsedneutron source to measure the nuclear data over thewidest energy range with two beam lines currentlyexploited. One is horizontal with a ~185 metersflight path, sending neutrons to experimental area-1(EAR-1). The second one is a new line sendingneutrons vertically to experimental area-2 (EAR-2)with a ~20 meters flight path.The first part of this PhD work is dedicated to thecharacterization of the beam (flux, geometricalprofile, energy spectrum) of the new EAR-2 neutronbeam, of the utmost importance for the experimentalproposals and analyses. An experiment was carriedout at EAR-2, based on PPAC detectors looking atfission of 235U, and the beam profile and neutronflux have been obtained for the entire availableenergy range (from thermal to 200 MeV).The second part of the thesis aims to study theneutron-induced fission of 237Np. 237Np isabundantly produced in present nuclear reactor andis one of the major long-lived components ofnuclear waste which can be considered as apotential target of incineration in fast neutronreactors. Consequently its neutron-induced fissioncross section has been measured at differentfacilities. However, significant discrepancies existbetween different experiments. Especially, therecent one performed at n_TOF in 2010 is about 6%higher by comparison to the evaluation data basedon previous experiments. Therefore an experimenthas been performed at n_TOF EAR-1 to measure itsfission cross section, in a configuration allowing anaccurate control of the detection efficiency, aimingto give a definite answer to the puzzle. In this work,we found that the efficiencies for different targetelements are different, even though they havesimilar thickness, reflecting the conditions ofelectrodeposition. After application of thisefficiency correction in the energy range from 1 to 5MeV, the newly extracted fission cross section is 2-3% lower compared with our previous measurementin 2010, however they are 3-4% higher than the

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

PIM (Parallel Ionization Multiplier) est un détecteur gazeux à microstructure multi-étage utilisant la technologie des micro-grilles. Ce nouveau dispositif, basé sur le principe de fonctionnement du détecteur MICROMEGAS (MICRO-MEsh GAseous Structure), offre d'excellentes caractéristiques pour la trajectographie de particules au minimum d'ionisation. Cependant, lorsque ce type de détecteur est placé dans un environnement à forte composante hadronique, des décharges apparaissent et dégradent sensiblement l'efficacité de détection et constituent un risque non négligeable pour l'électronique frontale. Afin de diminuer la probabilité d'avoir de tels événements, il est possible de réaliser la multiplication des charges par étapes successives. <br />Dans le cadre du programme européen de physique hadronique (EU-I3HP-JRA4), nous avons investigué le détecteur multi-étage PIM pour une application sous un haut flux de hadrons.<br />Lors de ce travail de recherche et développement, nous avons caractérisé de nombreuses configurations géométriques d'une structure PIM à 2 étages d'amplification séparés par un espace de transfert opérant avec un mélange gazeux Ne+10%CO2. Des tests réalisés sous faisceau de hadrons de hautes énergies auprès du CERN ont montrés que la probabilité de décharges peut être fortement réduite avec une structure adéquate du détecteur PIM. Un taux de décharges inférieur à 10-9 par hadron incident et une résolution spatiale de 51 µm ont par ailleurs été mesurés au point de fonctionnement correspondant au début du plateau d'efficacité (>96%).

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.

L'autoradiographie b est une technique d'imagerie médicale qui permet de visualiser la localisation de molécules marquées avec des traceurs radioactifs émetteurs b dans des coupes histologiques. Cette technique est largement employée dans les domaines de la biologie cellulaire ou de la pharmacologie. Le développement de la technologie des détecteurs gazeux à structure PIM au laboratoire Subatech a permis d'aboutir à la conception d'un appareil d'imagerie b de très haute résolution spatiale (20 μm FWHM) réalisant des images d'une demi lame histologique sur des émetteurs de basses énergies comme du 3H ou de 14C. Le développement récent d'une nouvelle approche concernant la méthode de reconstruction du point d'émission permet d'élargir le champ d'application aux émetteurs de haute énergie tels que l'131I, le 18F ou le 46Sc. Un nouveau dispositif de grande surface (18x18 cm2), compact et conçu pour l'utilisateur final a été mis au point. Il permet désormais l'imagerie de 10 lames de microscope simultanément. Grâce à une solution de multi-modalité, il conserve les bonnes caractéristiques de résolutions spatiales acquises précédemment en l'étendant sur une grande surface d'analyse. Différentes formes d'échantillons comme des coupes sur lames de microscope ou sur rubans adhésifs peuvent ainsi être analysés. Les simulations et les expérimentations menées durant cette thèse ont permis d'aboutir à un agencement optimal des structures composant le détecteur. La caractérisation et les résultats ont montré que la structure PIM est une structure à considérer dans le cadre de l'imagerie b de haute résolution sur différents types d'émetteurs.

Le détecteur proportionnel sphérique gazeux, SPC (Spherical Proportional Counter), est un nouveau concept de détecteur de particules. Ses principales caractéristiques sont : un seuil très bas en énergie indépendant du volume (faible capacité électronique), une bonne résolution en énergie, une grande robustesse et une seule voie de lecture. SEDINE, un détecteur bas bruit de fond, destiné à la recherche de matière noire légère, a été fabriqué et installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Il est actuellement opérationnel et vise à mesurer les évènements rares à bas seuil en énergie. La sensibilité dans la détection d’événements rares étant à basse énergie directement corrélée au niveau du bruit de fond du détecteur, la diminution du seuil en énergie ainsi que celle du bruit de fond ont été la problématique principale de cette thèse. Un effort important a été consacré à la mise en opération du dispositif expérimental. Plusieurs paramètres de détection ont été optimisés : homogénéité du champ électrique dans le volume de l’enceinte, tenue aux étincelles, niveau du bruit de fond électronique et l’étanchéité du détecteur. Le détecteur a été optimisé pour assurer un fonctionnement avec un gain stable à haute pression. La modification du blindage, les nettoyages de l’enceinte du détecteur et l’ajout d’une tente anti-Radon ont permis de réduire significativement le bruit de fond de SEDINE. Les progrès accomplis ont permis d’augmenter la sensibilité du détecteur à basse énergie à une valeur comparable, pour des WIMPs à basse masse, aux autres expériences de recherche souterraines. Nous présentons donc des résultats avec un bruit de fond mesuré, dans la région du keV, qui nous permet de donner une figure d’exclusion compétitive pour la production de la matière noire légère. / The Spherical gaseous detector (or Spherical Proportional Counter, SPC) is a novel type of a particle detector, with a broad range of applications. Its main features in- clude a very low energy threshold which is independent of the volume (due to its very low capacitance), a good energy resolution, robustness and a single detection readout channel. SEDINE, a low background detector installed at the underground site of Laboratoire Souterrain de Modane is currently being operated and aims at measuring events at a very low energy threshold, around 40 eV. The sensitivity for the rare events detection at low energy is correlated to the detector background and to the decreasing the level of energy threshold, which was the main point of this thesis. A major effort has been devoted to the operating of the experimental detector. Several detection parameters were optimized: the electric field homogeneity in the sphere, keeping clear of sparks, the electronic noise level and the leak rate of the detector. The detector is optimized for operation with a high pressure stable gain. The modification of the shield, cleanings of the detector and the addition of an anti-Radon tent have significantly reduced the background of SEDINE. Progress has increased the sensitivity of the detector at low energy up to a value comparable to the results other underground research experiences for the low mass WIMPs. We will present the results with a measured background in the region of keV, which has allowed us to show a competitive figure of exclusion for the production of light dark matter.

Les dévellopements récents des faisceaux exotiques, et en particulier avec le dispositif SPIRAL du GANIL, nous ont permis d'initier l'étude, dans l'9He, de l'inversion de couches déjà observée dans les isotone N=7, pour le 11Be et le 10Li. Une partie du travail est consacré à l'étude et au développement d'un détecteur servant aussi de cible (cible active) appelé MAYA, ainsi qu'au développement des outils informatiques nécessaires à son exploitation. l'9He a été étudier par la détermination des propriétés de ses états isobariques analogues (IAS) dans le 9Li. Les caractéristiques de ces états IAS sont obtenues par l'analyse des résonances dans les sections efficaces de diffusion élastique, du système 8He+p entre 2 et 3.9 MeV/n. Une étude rapide des réaction (p,d) et (p,t) est aussi présenté. Cette étude a permis, par la comparaison des résultats expérimentaux et des calculs de diffusion potentielle avec résonances, une assignation de spin et parité pour deux états de l'9He.