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Le travail de doctorat exposé dans ce manuscrit a été développé dans le cadre du projet LUMINEU, une expérience pilote pour la double désintégration bêta sans émission de neutrinos (0νββ) de l'isotope Mo avec des bolomètres scintillants de ZnMoO₄. Ce travail de physique expérimentale implique l'avancement du design et des tests des prototypes de détecteurs, et le développement des outils en vue de la préparation d'une expérience importante. La méthode de détection adoptée dans cette thèse est la technique bolométrique, qui s'intègre bien avec les caractéristiques requises des détecteurs pour étudier les événements rares. Le détecteur fournit une grande efficacité, une très bonne résolution en énergie et il permet la discrimination des particules pour la suppression du fond. Cette thèse se concentre sur la physique du neutrino et sur la désintégration 0νββ; les méthodes de détection expérimentales et la sensibilité de la demi-vie d'une expérience 0νββ sont traitées.La deuxième partie de ce travail est dédiée au setup, l'acquisition et l'analyse des données sont traitées en détails.La dernière partie de la thèse est consacrée aux résultats : les progrès réalisés dans le détecteurs bolométriques et les mesures sont résumés. Sur la base de ces résultats, nous avons calculé une sensibilité finale sur une expérience à venir basée sur ces détecteurs. / The current experiments on rare events searches for neutrino and dark matter are at present two of the most relevant and exiting field in particle and astro-particle physics.Thanks to the efforts made in the past years, much of progress has been made in answering some big open questions in this field. In particular, experiments in neutrino physics during the past decades gave very interesting results, stimulating new ideas of the mechanisms beyond the Standard Model. One of them is known as neutrinoless double beta decay which can give important informations on the puzzling picture of how nature behaves. It is a rare nuclear transition with a half life longer than 10^25 years where two neutrons decay simultaneously in to two protons with the emission of only two electrons, the two neutrino acting as a virtual particle between the two decay vertices. This process is possible only if the neutrino is equal to its antiparticle, which is in contrast with the SM predictions.The observation of this phenomenon can determining the nature -- Dirac or Majorana --, of massive neutrinos. This is of fundamental importance for making progress in our understanding of the origin of neutrino masses and mixing and of the symmetries governing the lepton sector of particle interactions. The measurement of the half life of the process would give unvaluable information on the absolute scale of neutrino masses, the Majorana phases and the type ofneutrino mass spectrum.This thesis is deeply related to the LUMINEU project aiming to prepare the construction of a next-generation Neutrinoless Double Beta Decay experiment, capable exploring the inverted hierarchy region of neutrino mass. This goal will be achieved through the development of sophisticated low-temperature detectors named bolometers, which may lead to important advancements in the field of dark matter detection as well.Bolometers are low temperature calorimetric detectors, which can exploit the so called homogeneous approach, which provides very high efficiency. They can be made by almost any dielectric material, giving a flexibility in the source/detector material choice. In addition, their excellent energy resolution makes them very competitive detectors.Scintillating bolometers are upgrade of the simple bolometers, where the absorber can also scintillate. The readout of the scintillating light is made by an auxiliary bolometer and it enables particle identification with the only drawback of doubling the readout channels.In this context, we developed, tested and optimized scintillating bolometers and innovative light detectors for a pilot underground experiment on neutrinoless double beta decay of 100Mo embedded in ZnMoO₄ and Li₂MoO₄ crystal scintillators.We demonstrated that the sensitivity of an experiment searching for neutrinoless double beta decay with scintillating bolometers can compete with reach the present forefront technologies in the field.

Le but de l'expérience virgo est la detection des ondes gravitationnelles<br />avec un interferomètre de michelson ayant des bras de trois kilomètres de long.<br />L'objet de cette thèse est le banc de detection, c'est-à-dire l'ensemble des<br />éléments nécessaires à la détection du signal en sortie de l'interferomètre.<br />La première fonction du banc de détection consiste à filtrer le faisceau issu<br />de l'interferomètre afin d'en améliorer le contraste et donc d'augmenter la<br />sensibilité de la mesure. L'élément permettant de réaliser ce filtrage est une<br />cavité optique résonnante accordée sur le mode fondamental du laser grâce à un<br />contrôle actif de sa longueur. L'étude, la conception de cette cavité et la<br />validation de la technique d'asservissement testée sur un prototype sont exposées<br />dans cette thèse. La seconde fonction du banc de détection est de collecter la<br />lumière issue de l'interferomètre. Différents photodétecteurs ont été testés afin<br />de sélectionner une photodiode repondant aux critères de l'expérience. Ces tests<br />ont abouti au choix d'une photodiode ingaas ayant un diamètre de trois millimètres<br />capable de répondre linéairement à une puissance lumineuse incidente de cent<br />milliwatts et ayant une haute efficacite quantique (86%). La dernière fonction<br />essentielle qui est l'alignement et l'adaptation du faisceau incident sur le banc<br />de détection a elle aussi été etudiée. L'ensemble de ce travail a permis de definir<br />la configuration générale du banc de détection.

LE BUT DE L'EXPERIENCE FRANCO-ITALIENNE VIRGO, EST LA DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES AVEC UN INTERFEROMETRE DE MICHELSON-MORLEY, AYANT DES BRAS DE 3 KM DE LONG. CETTE ETUDE EST FOCALISEE SUR LE BANC DE DETECTION DE VIRGO, DONT LES FONCTIONS PRINCIPALES SONT DE FOURNIR LE SIGNAL D'ONDE GRAVITATIONNELLE ET D'AMELIORER SON RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT EN UTILISANT UNE CAVITE OPTIQUE RESONNANTE. C'EST UN ENSEMBLE FORME DE COMPOSANTS OPTIQUES (UN CAVITE OPTIQUE FABRY-PEROT), MECANIQUES (MOTEURS SOUS VIDE), ELECTRONIQUES (PHOTODIODES, AMPLIFICATEURS) ET INFORMATIQUES (LECTURE, CONTROLE). PLACE DANS UNE ENCEINTE A VIDE POUR L'ISOLER DU BRUIT ACOUSTIQUE, IL EST AUSSI ACCROCHE A UNE SUSPENSION QUI L'ISOLE DU BRUIT SISMIQUE. L'OBJET DE CETTE THESE, EST L'ETUDE, LA REALISATION ET LE TEST DES SYSTEMES DE CONTROLE AUTOMATIQUE DE POSITION DU BANC : LE SYSTEME DE POSITIONNEMENT LOCAL CONTROLE PAR UNE CAMERA CCD ET LE SYSTEME GLOBAL, COMPRENANT UNE OPTIQUE D'ADAPTATION (TELESCOPE), DES CAPTEURS DE POSITION INSTALLES SUR LE BANC, AINSI QUE L'ELECTRONIQUE ET L'INFORMATIQUE ASSOCIEES. LE BRUIT RESIDUEL DU SYSTEME LOCAL, QUI CONTROLE LES SIX DEGRES DE LIBERTE DU BANC, EST DE 5RAD#R#M#S EN ANGLE ET DE 4M#R#M#S EN POSITION. LE SYSTEME GLOBAL QUI SUIT UN DES DEUX FAISCEAUX DE SORTIE DE L'INTERFEROMETRE, REDUIT LE BRUIT ANGULAIRE D'UN ORDRE DE GRANDEUR, CE QUI EST SUFFISANT POUR L'ALIGNEMENT CORRECT DE LA CAVITE RESONNANTE. L'ENSEMBLE DU SYSTEME DE POSITIONNEMENT DU BANC DE DETECTION PRESENTE DANS CE MEMOIRE SERA INSTALLE SUR LE SITE AU DEBUT DE L'ANNEE 1999 EN MEME TEMPS QUE LE RESTE DE LA PARTIE CENTRALE DE L'EXPERIENCE VIRGO.

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Malgré l'accord remarquable entre le modèle standard et les nombreuses mesures de précision effectuées depuis quelques décennies, la physique des particules a encore bien des mystères à éclaircir. L'un deux concerne la violation de la parité et la masse des neutrinos. Pour résoudre cette énigme, le modèle symétrique et le mécanisme du See-Saw prédisent l'existence de nouveaux bosons de jauge (W$_R$ et Z') et de neutrinos droits de Majorana N$_l$. Si ces nouvelles particules ont des masses voisines de quelques TeV/c2, le LHC et son détecteur ATLAS devraient en permettre la découverte, grâce aux processus qui sont décrits dans cette thèse : $pp \to W_(R) \to eN_(e) \to eejj$ et $pp \to Z' \to N_(e)N_(e) \to eejjjj$. Ceux-ci conduisent non seulement à des jets hadroniques mais aussi à des électrons dans l'état final. L'énergie et la position de ces derniers sont reconstruites dans un calorimètre électromagnétique à argon liquide. Avant d'y interagir, les électrons produits au point de collision rencontrent une certaine quantité de matière inerte, où il perdent une partie de leur énergie. Afin de compenser cet effet et ainsi maintenir la résolution en énergie à un niveau acceptable, on installe un pré-échantillonneur sur la face interne du calorimètre électromagnétique. Cette thèse en présente les principales performances.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la construction du pré-échantillonneur central qui équipera le calorimètre électromagnétique du détecteur ATLAS au LHC. Le pré-échantillonneur consiste en une couche active de 11 mm d'argon liquide dont le rôle est de prendre en compte la perte d'énergie des particules dans la matière présente en amont du calorimètre.<br> Une série de tests a été élaborée afin de contrôler les différents composants du pré-échantillonneur. Deux secteurs (1/32 du détecteur), dans leur version finale, ont été construits par la collaboration ATLAS-pré-échantillonneur puis montés à l'ISN de Grenoble. Ils ont ensuite été testés à température ambiante et dans de l'azote liquide à l'aide d'un banc de test approprié. Les performances : tenue à haute tension, réponse électronique à un signal test, bruit des cellules de détection, diaphonie, etc... sont conformes aux exigences. Ces deux secteurs ont été ensuite montés au CERN devant un module du calorimètre électromagnétique et testés en faisceau en 1998 et en 1999. L'analyse des données prises lors de ces tests, comparée aux simulations Monte Carlo, a montré que le pré-échantillonneur accomplit parfaitement son rôle. La résolution en énergie du système pré-échantillonneur plus calorimètre en fonction de la quantité de matière placée en amont a été mesurée, ainsi que la linéarité et l'uniformité de la réponse de l'ensemble du système.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne l'étude, la réalisation et la caractérisation de scintillateurs plastiques dopés au Bore. Leur mise en œuvre au sein de dispositifs de détection de neutrons rapides et thermiques y est examinée.<br />Dans une première partie, le processus de fabrication et la méthode de dopage en éléments borés sont présentés de façon détaillée. Différentes analyses physico-chimiques (I.R., UV-vis et RMN) ont été utilisées pour caractériser le matériau obtenu et pour confirmer sa composition et sa structure. De plus, une série d'expériences sous rayonnements alpha et sous faisceaux de protons a permis de mesurer les caractéristiques de scintillation. L'émission lumineuse peut ainsi être déterminée grâce à la relation semi-empirique de Birks.<br />Une seconde partie rend compte de la modélisation complète de l'ensemble du détecteur : interaction rayonnement - matière, émission et parcours de la lumière, formation du signal. Le code de calcul MCNP (Monte Carlo N-Particles) a été couplé à un code de génération et de propagation de lumière développé au cours de ce travail. Ces moyens de simulation ont permis d'optimiser les dimensions du détecteur pour la détection neutronique et de cerner l'influence de la géométrie sur la collecte des photons de scintillation. L'efficacité de détection et la durée de vie des neutrons dans ce type de détecteurs ont été estimées. Les mesures confirment la validité des simulations.<br />Une troisième partie fait état des méthodes de discrimination neutron - gamma analogique (méthode du passage par zéro) et numérique (méthode de la comparaison de charges) mises en œuvre pour ce scintillateur. Leurs performances respectives sont comparées et discutées.<br />La dernière partie concerne les applications qui peuvent bénéficier de l'utilisation de scintillateurs plastiques dopés au Bore, comme les fibres scintillantes dopées, la spectrométrie neutronique ou encore les systèmes de mesures des multiplicités neutroniques.

Le détecteur ATLAS conçu pour étudier la physique des particules, sera mis en service à partir de 2007 sur le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Il sera dédié à la recherche du boson de HIGGS et à des études dans le cadre du modèle standard ou en dehors. Le calorimètre à tuiles scintillantes est un sous-ensemble du détecteur ATLAS. Les 10000 voies de lecture, composant ce calorimètre, sont constituées de photomultiplicateurs qui transforment la lumière en signal électrique. La reconstruction du passage des particules et l'énergie déposée dans le détecteur doivent être connues avec précision. Pour cela, chaque sous-ensemble dispose de plusieurs systèmes d'étalonnage. Le système utilisé par le calorimètre à tuiles scintillantes pour calibrer les photomultiplicateurs et l'électronique associée est un laser. Le système laser possède son propre système de calibration afin de connaître avec précision l'impulsion lumineuse transmise aux photomultiplicateurs du calorimètre, soit :<br> · quatre photodiodes qui reçoivent une fraction du faisceau laser,<br> · une source radioactive, passant devant les photodiodes dont l'énergie des particules alpha émises est monoénergétique,<br> · une injection de charge pour connaître la linéarité des préamplificateurs des photodiodes.<br> <br><br> Pour commander ce système laser, le prototype d'une carte électronique SLAMA a été développé et réalisé. Cette carte, qui s'insère dans un châssis VME, se compose de trois parties : la première est l'interface avec le logiciel via le bus VME, la deuxième met en forme les signaux analogiques provenant des photomultiplicateurs et des photodiodes et la troisième doit prendre en compte le temps de réponse du laser. Les signaux électroniques issus des entrées analogiques sont mis en forme par des discriminateurs à fraction constante. Ils ont pour particularité d'avoir une gigue sur le temps de réponse peu dépendante de l'amplitude du signal d'entrée. Le temps de réponse du laser est dépendant de l'amplitude de l'impulsion lumineuse. La carte SLAMA intègre une fonction dédiée à ce calcul, pour optimiser les calibrations pendant l'absence d'événements physiques. Elle est dotée de fonctions diverses réalisées à l'aide de composants numériques programmables FPGA et de circuits spécifiques :<br> · une interface avec le bus VME,<br> · un convertisseur temps-numérique TDC, ASIC développé au CERN,<br> · l'unité de calculs et d'ajustements du retard de déclenchement du laser,<br> · une logique de fonctionnement autonome. <br><br> Les tests préliminaires avant l'intégration complète dans le système ont été effectués en laboratoire. Ils permettent de confirmer la faisabilité de la fonction commande et contrôle du laser. Ils montrent également une grande souplesse de la carte, grâce à la possibilité de reconfiguration in-situ.

Les neutrinos cosmiques de haute énergie (> 100 GeV) offrent l'opportunité d'ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'Univers et d'apporter des indications pour résoudre certaines énigmes de la Physique des Particules et de l'Astrophysique. Leur observation nécessite la conception d'un nouveau type de détecteur. Nous avons optimisé et caractérisé les performances que l'on peut attendre d'un télescope sous-marin à neutrinos de première génération composé de mille photomultiplicateurs. L'effet systématique des principales hypothèses effectuées dans les simulations est discuté. La surface effective du détecteur atteint 10 000 m2 à 100 GeV et dépasse 0.1 km2 au-delà de 100 Tev. Il possède une précision angulaire comprise entre 0.2° et 0.3° selon les erreurs d'alignement temporel commises et une résolution sur l'énergie d'un facteur 2 à 3. Le taux de bruit de fond induit par les muons atmosphériques est au plus du même ordre de grandeur que celui dû aux neutrinos atmosphériques. Son évaluation reste limitée par la statistique de simulation. Ces résultats soulignent qu'un télescope sous-marin à neutrinos possède de grandes potentialités de découverte et devrait ouvrir une nouvelle ère de l'astronomie.