Effectuer des mesures de polarimétrie des rayons X provenant de sources astrophysiques permettrait d’obtenir de nombreuses informations sur les objets émetteurs : géométrie des disques d’accrétion de pulsars, champ magnétique au cœur des restes de supernovæ ou encore détermination du spin des trous noirs. Ces informations fondamentales sont pour l’instant inaccessibles à cause de l’absence de polarimètres X performants.L’utilisation de l’effet photoélectrique pour effectuer de la mesure spectro polarimétrique des rayons X mous dans la bande d’énergie de 1 keV à 15 keV apparaît comme une approche bien plus adaptée que l’utilisation de la diffraction de Bragg ou de la diffusion Thomson. La polarimétrie par le truchement de l’effet photoélectrique repose sur la mesure de la direction d’éjection du photoélectron, laquelle est modulée par la direction de polarisation de la lumière incidente. Il s’agit alors de construire un détecteur permettant un recul suffisant des photoélectrons afin de reconstruire leurs traces, et les détecteurs gazeux sont par nature des candidats idéaux. Cette thèse traite du développement et de la caractérisation d’un spectro-polarimètre `a rayons X-mous d’un genre entièrement nouveau : Caliste-MM. Il consiste en un détecteur gazeux, le piggyback Micromegas associé à une électronique de lecture miniature baptisée Caliste. L’une des principales innovations de ce détecteur tient au fait que son électronique de lecture est située en dehors du milieu gazeux. Les charges créées dans le piggyback diffusent dans une couche résistive répandue sur une céramique venant fermer le détecteur gazeux. Le module électronique Caliste enregistre le signal qui se répand dans la couche résistive à travers la céramique et une fine lame d’air par couplage capacitif. Le détecteur est ainsi composé de deux parties complètement indépendantes : conversion de la lumière et amplification par le piggyback, et lecture du signal par le Caliste. Les deux peuvent alors être développées indépendamment l’une de l’autre, l’électronique étant protégée des étincelles développées dans le détecteur grâce à la couche résistive du piggyback.Les caractéristiques détaillées du détecteur sont étudiées et présentées : forme des évènements, gain, résolution en énergie, ainsi que la variation de ces caractéristiques avec les différents paramètres du détecteur. Des modèles analytiques sont comparés aux résultats obtenus afin d’expliciter les phénomènes physiques responsables de la topologie des évènements enregistrés. Les différentes méthodes pour obtenir une trace reconstructible issue de photoélectrons sont aussi étudiées : utilisation d’une électronique de lecture plus finement pixélisée (utilisant ainsi pleinement le concept d’électronique découplée), test en basse pression ou utilisation de gaz légers comme l’Hélium ou le Néon.Enfin, grâce à des mesures effectuées sur le faisceau 100% polarisé de la ligne Métrologie du synchrotron SOLEIL, le facteur de modulation du détecteur est mesuré et présenté à différentes énergies de 6 à 12 keV. Une mesure du facteur de modulation de 92% à 8 keV prouve le grand potentiel de ce nouveau spectro-polarimètre et l’intérêt de son concept innovant. / Performing X-ray polarimetry of astrophysical sources could provide precious insight into the properties of the emitting objects, for example the geometry of pulsars accretion disks, magnetic field inside the core of supernovae remnants or measurement of black holes spin. These fundamental observations are today impossible due to the missing performance of X-ray polarimeters. The use of the photo-electric effect to perform spectro-polarimetry in the energy band of 1 keV to 15 keV appears to be like a much better approach than the use of Bragg diffraction or Thomson scattering. Performing polarimetry with the photo-electric effect relies on the measurement of the ejection direction of the photo-electron, which is modulated by the polarization direction of the incoming light. In order to reconstruct the photo-electron track, a detector allowing the photo electrons to recoil far enough is needed. Gaseous detectors are naturally perfect candidates. This PhD thesis focusses on the development and the characterization of a soft X-ray spectro- polarimeter of a completely new design : Caliste-MM. It consists of a gaseous detector called piggyback Micromegas associated with a miniature 3D readout electronics baptized Caliste. The main innovation of this detector comes from the fact that its readout electronics is located outside the gaseous medium. The charges created inside the piggyback diffuse in a resistive layer spread on a solid ceramic plate that closes the detector. The Caliste records the signal of the charges in the resistive layer through the ceramic and a small air layer by capacitive induction. The detector is composed of two completely independent parts : the piggyback where the X-ray conversion and amplification takes place, and the Caliste for the recording of the signal. These two parts can then be developed independently. Moreover the electronics are protected from sparks thanks to the resistive layer of the piggyback.The detailed characteristics of the detector are studied such as the shape of the events, the gain and the energy resolution. Analytical models are compared to the obtained results in order to explain the physical phenomena responsible for the topology of the recorded events. Different strategies to improve the reconstruction of the photo-electrons are explored including for example finer pitched readout electronics, low pressure and the use of lighter gases such as Neon or Helium. Finally, thanks to the measurements performed on the 100% linearly polarized beam of the Mtrologie line of the SOLEIL synchrotron facility, the modulation factor of the detector has been measured at different energies ranging from 6 keV to 12 keV. A measurement of the modulation factor of 92% at 8 keV proves the high potential of this new spectro-polarimeter and the interest into its innovative design.

Le spectromètre à muons de CMS doit permettre l'identification rapide et efficace des muons produits lors des collisions proton-proton au LHC. Cependant, à cause d'un environnement de détection extrême, seules les chambres à pistes cathodiques équipent actuellement les bouchons de CMS. Cette faiblesse dans le système de détection pourrait devenir problématique après l'amélioration du LHC. L'augmentation du taux de particules dans les bouchons va dégrader les performances du système de déclenchement L1 ainsi que l'efficacité de sélection des phénomènes physiques intéressants. Le but du programme d'amélioration de CMS est de maintenir le taux de déclenchement L1 tout en gardant une efficacité de sélection maximale. La collaboration CMS GEM propose d'équiper les régions vacantes des bouchons avec des détecteurs basés sur la technologie d'amplification des électrons dans un gaz (GEM), appelés GE1/1. Le sujet de thèse proposé par la collaboration CMS GEM a pour but de justifier le choix de la technologie GEM pour l'amélioration de CMS. Trois projets ont été suivis pendant la thèse. La première partie du projet de thèse consistait à mesurer précisément les caractéristiques fondamentales et les performances de détection des détecteurs triple-GEM produit par la technique simple-masque. Ces éléments sont essentiels pour s'assurer que les détecteurs GE1/1 pourront fonctionner en toute sécurité dans l'environnement des bouchons de CMS. Le deuxième projet consistait à prouver que les excellentes performances des détecteurs GE1/1 ne vont pas se dégrader pendant leur utilisation dans CMS. Cette étape comprend l'étude du fonctionnement à long terme des détecteurs GE1/1, en particulier le phénomène de vieillissement, qui inclue tous les processus physiques et chimiques qui provoquent la dégradation graduelle et permanente des performances de détection. Plusieurs tests de vieillissement ont été menés dans des zones d'irradiations spécifiques au CERN pour reproduire un minimum de 10 ans de fonctionnement réel dans l'environnement de CMS après la montée en puissance du LHC. Enfin, les excellentes propriétés mesurées lors de la phase de R&D ont permis de valider la technologie triple-GEM, qui fut ensuite approuvée par la collaboration CMS et le comité du LHC. La production de 144 grands détecteurs GE1/1 sera partagée entre différents sites de production à travers le monde. Le troisième projet de thèse fut donc le développement des principales étapes du contrôle qualité nécessaire pour assurer une production uniforme et une même qualité pour tous les détecteurs GE1/1. / The muon system of CMS aims to provide an efficient and fast identification of the muons produced in the proton-proton collisions. However, the forward region of the end-caps is only instrumented with Cathode Strip Chambers. This lack of redundancy will be problematic after the high-luminosity upgrade of the LHC (HL-LHC), for which the increase of the background rate would degrade the Level-1 trigger performance and thus the selection of interesting physics channels. The goal of the CMS muon upgrade is to maintain the L1 trigger rate with maximum selection efficiency in order to fully exploit the HL-LHC. The CMS GEM Collaboration has proposed to instrument the vacant highetaregion of the muon end-caps with Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, called GE1/1chambers.The Ph.D. subject proposed by the CMS GEM Collaboration aims to demonstrate that the GE1/1technology is the most suitable choice for the upgrade of the muon end-caps. Three main researchprojects were conducted in this context. The first project included the precise measurement of the fundamental characteristics and the detection performance of the triple-GEM detectors produced with the single-mask technique. Those characteristics are essential to ensure that the detectors can operate in the forward region of CMS. The second project was focused on the long-term operation of GE1/1 detectors, in particular the study of the aging phenomenon, which includes all the processes that lead to a significant and permanent degradation of the performance of the detectors. Several aging tests were performed at the CERN irradiation facilities to prove that the GE1/1 chambers can operate during at least 10 yearsat HL-LHC without suffering from performance losses. The excellent properties measured during the R&D phase led to the approval of the GE1/1 project by the CMS Collaboration. The third project, conducted in the framework of the mass production,consisted of developing of the main steps of the Quality Control of the GE1/1 chambers.

Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.

Les détecteurs gazeux à micropistes (MSGC) ont fait l'objet d'un vaste programme de recherche et développement dans le but de les qualifier pour équiper le trajectographe de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) installée sur l'un des 4 points d'interaction du collisionneur proton proton de 14 TeV: le Large Hadron Collider (LHC) en construction au CERN. Les points étudiés les plus critiques pour que les MSGC et leurs variantes telles que les grilles de multiplication d'électrons (GEM) fonctionnent dans l'environnement difficile du LHC sont: la tenue aux flux de particules très ionisantes, le vieillissement dû aux radiations ainsi que la rapidité du signal pour un déclenchement à 40 MHz. Les paramètres importants pour l'optimisation du gain de ces détecteurs sont le mélange de gaz, la résistivité des substrats qui constituent le support des détecteurs et le métal des pistes. L'étude de ces paramètres a permis de définir le détecteur gazeux qui assure une stabilité de fonctionnement avec un gain constant pendant dix ans de collisions LHC. Il se compose de deux étages de multiplication d'électrons dans le gaz (amplification), associant un détecteur MSGC à un détecteur GEM. <br /> L'expérience BaBar, installée sur l'anneau PEP II à SLAC, a été conçue pour étudier la violation de CP dans le système des mésons B. Les premières collisions e+ e- ont été enregistrées en mai 1999. En août 2006, la luminosité intégrée enregistrée par l'expérience s'élevait à plus de 390 fb-1 dont 350 fb-1 à la résonance Y(4S) correspondant à plus de 385 millions de désintégrations e+ e- -> Y(4S)->BB. Dès les conférences de l'été 2001, la collaboration BaBar avait pu présenter la première observation significative de la violation de CP dans le secteur des B. Avec l'accumulation des données, la précision statistique de cette mesure s'est améliorée de plus qu'un facteur 4 et la précision systématique de près d'un facteur 3. Le grand nombre de désintégrations BB permet aussi de construire un échantillon de données où un premier méson B est totalement reconstruit. Les paramètres du second B sont alors calculés à partir de ceux des faisceaux et du premier B. Grâce à cet échantillon, la détermination du nombre de charme moyen (le nombre de quarks c produits dans les désintégrations des mésons B) avec les mesures inclusives des désintégrations des mésons B- et B0 en mésons D et Ds et baryons charmés Λc a pu être effectuée séparément pour les mésons B chargés et neutres en s'affranchissant d'un grand nombre d'hypothèses ainsi que des erreurs systématiques qui en découlent. Avec le même échantillon de données, la mesure des rapports d'embranchement des modes B- ->D0(* , **)pi - et B 0->D+(* , **)pi- a été effectuée avec une méthode originale dans BaBar, celle de la masse manquante. Dans le système du second B, les rapports d'embranchement ont été mesurés en calculant la masse manquante au pi -, qui est le module du quadrivecteur impulsion manquant (les quadrivecteurs impulsion du Y(4S), du premier méson B et du pi- étant déterminés). Ceci a permis d'améliorer la précision de la mesure en réduisant la contribution des incertitudes systématiques. Cette mesure ainsi que la mesure du taux de charme permettent respectivement de contraindre l'hypothèse de la factorisation dans les calculs de la Heavy Quark Effective Theory (HQET), et les paramètres de la chromodynamique quantique (QCD), tels que le rapport des masses des quarks et l'échelle de renormalisation.