Une revue générale est faite de la situation expérimentale concernant la mesure des masses, du mélange et des oscillations de neutrinos, ainsi que de la phénoménologie sous-jacente. Mes contributions à travers le programme expérimental du CERN, CHARM-II, CHORUS et OPERA, font l'objet d'un développement particulier. Le dernier chapitre tente de mettre en perspective le programme expérimental à moyen et long terme. The experimental situation concerning the measurements of neutrinos masses, mixing and oscillation is reviewed, as well as of the underlying phenomenology. A particular attention is given to the CERN experimental program to which I took or take part, CHARM-II, CHORUS and OPERA. In the last chapter, I try to put into perspective the medium and long term experimental programme.

This doctoral thesis is part of the upgrade of the CMS experiment at the Large HadronCollider of CERN, the LHC. CMS, together with the ATLAS experiment, led to thediscovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012. But the LHC research program isnot over yet. Indeed, the LHC is intended to operate even at least 20 more years. Duringthis period, the luminosity will grow gradually up to five times its nominal value of 10 34cm −2 s −1 initially foreseen. This increase in luminosity requires the LHC experiments,like CMS, to upgrade their detectors as well as their data acquisition system. One of thenext major CMS upgrade is the addition of a new detector layer in the forward muonspectrometer of CMS. The technology that has been chosen by the CMS collaborationfor this upgrade is the Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM) technology. Thisupgrade aims to maintain the trigger performance despite the increasing rate of particles(> 1 kHz/cm 2 ) and will also improve the reconstruction of muons tracks, thanks to aexcellent spatial resolution (∼ 250 μm). It is the study and characterization of thistechnology that is the subject of this thesis.This characterization of the Triple-GEM detectors starts with a detailed study of thetime resolution. This study has been performed using different Monte Carlo simulationslike GARFIELD, and has demonstrated that the Triple-GEM detectors equipped withthe new VFAT3 electronics (developed for this upgrade) fulfill the requirements for theCMS upgrade.Then we have studied different detector prototypes. First, we have built two small 10×10cm 2 prototypes and developed a test bench at the ULB laboratory. This test bench hasallowed us to study another important parameter of the Triple-GEM detectors: the gain.Later, we also had the opportunity to take part in the data taking and analysis of a testbeam campaign at CERN. The analysis of the data of this test beam is also presentedin detail.The last part of this work concerns the study of the spatial resolution. We have estimatedthe spatial resolution of the Triple-GEM detector equipped with a binary electronics byMonte Carlo simulations as well as analytically. This study has been extended to otherdetector technologies like the Micromegas and the silicon sensors. / Cette th`ese de doctorat s’inscrit dans le cadre de la mise `a niveau de l’exp ́erience CMSaupr`es du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. CMS, avec l’exp ́erienceATLAS, a permis la d ́ecouverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012. Mais leprogramme de recherche du LHC n’est pas pour autant termin ́e. En effet, le LHC estdestin ́e `a fonctionner encore au moins 20 ans. Pendant cette p ́eriode, la luminosit ́e vacroˆıtre progressivement jusqu’`a atteindre environ cinq fois la valeur nominale de 10 34cm −2 s −1 initialement pr ́evue et ce d’ici 2025. Cette augmentation de luminosit ́e pousseles exp ́eriences du LHC, comme CMS, `a mettre `a jour les d ́etecteurs ainsi que leurssyst`emes d’acquisition de donn ́ees. Une des prochaines mises `a niveau majeures deCMS est l’addition d’une nouvelle couche de d ́etection dans le spectrom`etre `a muonvers l’avant. La technologie de d ́etection qui a ́et ́e choisie par la collaboration CMS estla technologie des Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM). Cette mise `a niveaua pour but de maintenir les performances du syst`eme de d ́eclenchement et ce malgr ́el’augmentation de taux de particules (> 1 kHz/cm 2 ) et de permettre ́egalement, grˆacea la tr`es bonne r ́esolution spatiale des Triple-GEM (∼ 250 μm), l’am ́elioration de la re-construction des traces de muons. C’est l’ ́etude des caract ́eristiques de cette technologiequi est le sujet de cette th`ese.Cette caract ́erisation des d ́etecteurs Triple-GEM commence par une ́etude d ́etaill ́ee de lar ́esolution temporelle. Cette ́etude a ́et ́e r ́ealis ́ee `a l’aide de diff ́erentes simulations MonteCarlo telles que GARFIELD et a permis de montrer que les Triple-GEMs ́equip ́es de lanouvelle ́electronique VFAT3 (sp ́ecifiquement d ́evelop ́ee pour les Triple-GEMs) remplis-sent les conditions pour la mise `a niveau de CMS.Nous avons ensuite ́etudi ́e diff ́erents prototypes. Tout d’abord nous avons construit deuxpetits (10 × 10 cm 2 ) prototypes de Triple-GEM et d ́evelop ́e un banc de test au sein dulaboratoire de l’ULB. Ce banc de test nous a permis d’ ́etudier un autre param`etre impor-tant des d ́etecteurs Triple-GEM: le gain. Au cours de cette th`ese nous avons ́egalementparticip ́e `a la prise de donn ́ees et `a l’installation de diff ́erents tests en faisceau au CERN.L’analyse des donn ́ees du test en faisceaux d’octobre 2014 est aussi pr ́esent ́ee en d ́etail.La derni`ere partie de ce travail concerne l’ ́etude de la r ́esolution spatiale. Nous avonsestim ́e la r ́esolution spatiale par simulation de Monte Carlo ainsi que de mani`ere an-alytique pour des d ́etecteurs GEM munis d’une ́electronique binaire. Cette ́etude a ́egalement ́et ́e g ́en ́eralis ́ee `a d’autres d ́etecteurs tels que les Micromegas ou encore lescapteurs au silicium. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Identifier la nature de la matière sombre est l'un des plus grands problèmes de la physique contemporaine. Si la matière sombre est constituée de particules, on peut espérer la détecter, directement ou indirectement, grâce à des expériences terrestres ou spatiales. Prédire les résultats de ces expériences, ou les interpréter en cas de détection, nécessite une compréhension profonde de la structuration de la matière sombre dans notre Galaxie. En partant de considérations issues de la physique des particules et de la cosmologie, je construits un modèle du halo de matière sombre Galactique contraint dynamiquement qui incorpore une description détaillée des ses inhomogénéités. L'impact des ces inhomogénéités sur les recherches utilisant le rayonnement cosmique est ensuite analysé en détails. J'étudie également une méthode permettant de prédire la distribution dans l'espace des phases des particules de matière sombre, et discute sa possible application aux recherches de matière sombre. Cet outil est ensuite appliqué aux recherches utilisant les électrons et positrons cosmiques, et de nouvelles contraintes très fortes sont obtenues sur les modèles microscopiques de matière sombre. / Understanding the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics. If dark matter is made of particles, we can hope to detect it, directly or indirectly, using Earth-based or spatial experiments. Make predictions for the outcome of these experiments, or interpret the results in case of a detection, requires a deep understanding of the structuring of dark matter in our Galaxy. Starting from particle physics and cosmological considerations, I built a dynamically constrained model of the Galactic dark halo including a detailed description of its inhomogeneities. The impact of these inhomogeneities on searches with cosmic rays is then analysed in details. I also study a method allowing to predict the phase-space distribution of dark matter particles, and discuss its possible application to dark matter searches. This method is then applied to searches with cosmic-ray electrons and positrons, and new very stringent constraints are obtained on microscopic models of dark matter.

La radiothérapie est l'une des techniques utilisées pour le traitement des tumeurs cancéreuses. Cette technique utilise un nombre varié de rayonnements, avec des avantages et inconvénients qui dépendent des caractéristiques physiques de ces derniers. La radiothérapie utilisant des faisceaux de protons d’énergie entre 50-250 MeV, appelée communément ‘‘protonthérapie’’, est une technique innovante et très prometteuse, elle permet de traiter efficacement des tumeurs cancéreuses tout en préservant le plus possible les tissus sains environnants. Elle a le grand avantage de pouvoir concentrer la dose de traitement de manière très efficace et très précise dans le volume tumoral, avec moins de dose aux tissus sains et aux organes radiosensibles proches de la tumeur ou traversés par le faisceau d'irradiation. Ainsi, on diminue de manière significative la récidive cancéreuse en donnant une dose létale à la tumeur, et également on évite des cancers radio-induits par l'administration d’une dose acceptable aux tissus sains du patient.Cependant, lors de leur traversée dans la matière (matériaux des installations d'un centre de protonthérapie ou les tissus du patient), les protons peuvent avoir des interactions nucléaires, et des rayonnements secondaires, tels que des neutrons très énergétiques jusqu’à l’énergie maximale des protons d'irradiation peuvent être créés. Pour atténuer le flux de particules secondaires ainsi créées et pour que les doses reçues par les personnes se trouvant aux alentours de l’installation soient les plus faibles possibles et en conformité avec la réglementation en matière de radioprotection, d’importants blindages doivent être construits dans les centres de protonthérapie. Avant leur construction, ces blindages sont d’abord simulés numériquement par des méthodes Monte Carlo de simulation avec des programmes tels que MCNPX, FLUKA, PHITS, GEANT4, etc.En outre, une fois que le centre de protonthérapie est opérationnel, malgré ces blindages de protection, des mesures sont régulièrement effectuées pour estimer la dose d'ambiance, ainsi que la dose reçue par le personnel. Des dosimètres tels que des MOSFETs sont utilisés pour la dosimétrie individuelle des neutrons. En ce qui concerne la dosimétrie d'ambiance, plusieurs techniques ont été développées. On peut citer l’exemple d’un compteur proportionnel appelé  ‘‘WENDI-2’’, qui possède une bonne sensibilité aux neutrons. Dans cette thèse, nous présentons les travaux que nous avons menés pour la validation avec des simulations Monte Carlo de GEANT4 de la réponse de ce détecteur en fonction de l'énergie des neutrons. La 1ère validation se focalise sur la comparaison de GEANT4 avec d'autres codes de la littérature. La fonction de réponse de WENDI-2 montre des variations lorsque différents modèles physiques (ou codes) sont utilisés dans les simulations. Ensuite, des mesures expérimentales ont été confrontées aux simulations de GEANT4, et les résultats ont été interprétés avec différents modèles physiques. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire s’inscrit dans une optique d’innovation dans le domaine de l’identification des électrons dans l’expérience ATLAS. ATLAS est l’un des quatre détecteurs principaux installés sur le plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC. Cette recherche pousse encore plus loin un projet s’intéressant à l’identification des électrons, qui sont presque omniprésents dans les analyses de la collaboration ATLAS, à l’aide de réseaux de neurones convolutifs. Le réseau entraîné avec des données de simulation de collision proton-proton à √s = 13 TeV dans ATLAS montrant déjà des résultats probants, ce mémoire investigue la possibilité d’entraîner le réseau avec des données expérimentales. D’abord, une étude des ensembles de données expérimentales et de simulation montre des différences entre les distributions des variables de haut niveau données en entrée au réseau de neurones. Ensuite, nous avons entraîné deux réseaux de neurones : un premier sur un échantillon où le bruit de fond principal, les saveurs légères, a été remplacé par des données expérimentales et un second, sur la simulation. Ces deux réseaux ont alors été validés sur l’échantillon contenant des données expérimentales. Les résultats préliminaires montrent que l’utilisation des données expérimentales améliore le rejet du bruit de fond de type saveur légère jusqu’à 1,4 fois par rapport au réseau de neurones entraîné sur la simulation et améliore jusqu’à 3,6 fois le rejet du bruit de fond combiné par rapport à l’algorithme de vraisemblance présentement utilisé dans ATLAS. / This memoir follows a perspective of innovation in the field of electron identification in the ATLAS experiment. ATLAS is one of the four major detectors installed on the LHC ring, the most powerful particle accelerator in the world. This research pushes the boundaries of an earlier project about identifying electrons, a particle which is almost ubiquitous in ATLAS analysis, using convolutional neural networks. Since the network trained with simulated data of proton-proton collisions at √s = 13 TeV in the ATLAS detector has already shown good results, this memoir investigates the possibility to train a convolutional network with real data. We first study the data samples and show that there are significant differences in the distribution of high level variables given as input to the neural network. We then train two neural networks : one of which the most prominent background, light flavour faking electrons, is replaced by real data in the training sample, and a second where the training sample is left untouched. These two networks are then validated on the sample containing real data light flavours. The preliminary results show that using real data to train our classifier improves the background rejection with respect to the light flavour background by a factor up to 1.4 in comparison with the Monte Carlo trained network. We also have an improvement with respect to the combined background by a factor up to 3.6 when comparing both networks to the Likelihood algorithm currently used in ATLAS.

Cette thèse porte sur deux aspects de l'International Linear Collider (ILC) qui est un projet d'un collisionneur linéaire électron-positron avec une énergie dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 500 GeV.Le premier aspect est l'élaboration d'un calorimètre électromagnétique silicium-tungstène (SiW-ECAL) pour l'un des détecteurs de l'ILC. Le concept de ce détecteur est piloté par les spécifications du faisceau de l'ILC et par l'algorithme du Particle Flow (PFA). Cela nécessite un calorimètre hautement granulaire et très compact avec l'électronique directement intégrée à l'intérieur. Pour prouver les capacités du SiW-ECAL, un prototype technologique a été construit et testé en faisceau de test à DESY. Les résultats sont présentés ici et montrent, après la procédure de calibration, un signal sur bruit de 10, même en mode power pulsing.Le deuxième aspect est l'étude de l'un des canaux physique importants de l'ILC, la production de pairs de quark top anti-top. L'objectif principal de cette étude est de déterminer la précision que nous pouvons attendre à l'ILC sur le couplage du top avec le boson W et le photon. Pour obtenir cette précision différentes observables sont utilisées, la section efficace, l'asymétrie avant-arrière et la distribution d'hélicité de la production de pairs de quark top anti-top. L'analyse est basée sur les événements avec des faisceaux polarisés et reconstruit avec la simulation complète du détecteur ILD, qui est le détecteur du SiW-ECAL, pour le Detector Baseline Design de l'ILD. Au final l'erreur attendue sur le couplage du quark top est de l'ordre de 2%. / This thesis deals with two aspects of the International Linear Collider (ILC) which is a project of a linear electron-positron collider of up to at least 500 GeV center of mass energy.The first aspect is the development of a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (SiW-ECAL) for one of the detectors of the ILC. The concept of this detector is driven by the ILC beam specifications and by the Particle Flow Algorithm (PFA). This requires highly granular calorimeter and very compact one with integrated electronics. To prove the capability of the SiW- ECAL a technological prototype has been built and tested in test beam at DESY. The results are presented here, and show, after the calibration procedure a signal over noise ratio of 10, even in the power pulsing mode.The second aspect is the study of one of the important physics channels of the ILC, the top anti-top quark pairs production. The main goal of this study is to determine the precision that we can expect at the ILC on the top coupling with the W boson and the photon. To get this precision differents observables are used, the cross- section, the forward- backward asymmetry and the helicity distribution of the top anti-top quark pairs production. The analysis is based on the events with polarized beams and reconstructed with the full simulation of the ILD detector, which is the detector of the SIW- ECAL, for the Detector Baseline Design of the ILD. The final expected errors on the top coupling is of the order of 2%.

La quête de la nouvelle physique est un défi impliquant à la fois la recherche de particules de matière noire dans les halos galactiques, et celle, aux collisonneurs, de particules dont l’existence est prédite par des théories au-delà du Modèle Standard, telles que la supersymétrie. Alors que les contraintes expérimentales sur ces particules s’intensifient, il devient capital de combiner les limites provenant de ces deux volets afin de guider la suite des recherches. Pour ce faire, il est indispensable d’évaluer et de tenir compte correctement des incertitudes astrophysiques, cosmologiques et nucléaires, pourtant souvent ignorées. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de ces incertitudes et leur impact sur les contraintes obtenues en supersymétrie, ainsi que la complémentarité entre les contraintes des collisionneurs et de matière noire pour la recherche de nouvelle physique. La deuxième partie est consacrée au développement d’outils de calculs pour les détections directe et indirecte de matière noire, conçus afin de prendre correctement en compte les incertitudes astrophysiques et nucléaires, et à leur implémentation dans le code public SuperIso Relic. Enfin la troisième partie du travail concerne l’étude des implications cosmologiques d’une éventuelle découverte de nouvelles particules aux collisionneurs. Nous avons montré qu’il serait possible de tester les hypothèses du modèle cosmologique standard et d’obtenir des informations sur les propriétés de l’Univers primordial à une époque observationnellement inaccessible / The quest for new physics is a challenging task which involves, on the one hand, the search for dark matter particles from space, and on the other hand, the search at colliders for particles predicted by theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry. With the experimental constraints on new particles getting stronger, it becomes crucial to combine the limits from both sectors in order to guide future searches. To this end, it is essential to estimate and take into account correctly the astrophysical, nuclear and cosmological uncertainties, which are most often ignored. The first part of this thesis is dedicated to the study of such uncertainties and to their impact on the constraints applied on supersymmetry. Moreover, we investigate the interplay between the constraints from colliders and dark matter searches in some detail. The second part concerns the development and the implementation in the public code SuperIso Relic of numerical tools for the calculation of direct and indirect dark matter detection constraints which were designed specifically to take correctly into account astrophysical and nuclear uncertainties. Finally, in the third part of this work, we consider the cosmological implications of a hypothetical discovery of new particles at colliders. We show that it would be possible to test the assumptions of the standard cosmological model and to obtain information on the properties of the primordial Universe at an epoch which is beyond observational reach

La première partie de ce document concerne mes activités dans le domaine de la physique des particules auprès des collisionneurs LEP et LHC et la deuxième est dédiée à mon activité plus récente dans le domaine des ondes gravitationnelles avec l'expérience Virgo.<br /><br />Ma thèse a porté sur la mesure de l'un des paramètres (Rl) de la résonance du boson Z à LEP avec l'expérience ALEPH. J'ai ensuite contribué à la mesure et à la combinaison de l'ensemble des paramètres de la résonance du Z ainsi qu'à l'extraction de paramètres du Modèle Standard de physique des particules à partir de ces mesures (masse du boson de Higgs, masse du quark top, constante de couplage fort). <br />En parallèle avec cette activité j'ai participé aux développements et tests du détecteur de pied de gerbe de l'expérience CMS au LHC. Ce détecteur sera particulièrement utile pour la réduction du bruit de fond dans la recherche du boson de Higgs avec sa désintégration en deux photons. Mon travail a principalement consisté à déterminer les performances du détecteur (résolution en énergie) en faisceau test, à effectuer une étude pour son électronique de lecture, et à décrire ce détecteur et la reconstruction des dépôts d'énergie dans le logiciel de reconstruction d'événements de CMS.<br /><br />J'ai ensuite abordé une autre thématique avec la recherche d'ondes gravitationnelles par interférométrie avec l'expérience Virgo. J'ai tout d'abord eu la charge de l'adaptation du système de détection (système optique, électronique de lecture des photodiodes et contrôle de l'ensemble) lors d'un changement de configuration de l'interféromètre. Je me suis ensuite fortement impliquée dans la phase de mise au point de l'interféromètre dont l'un des buts est d'amener l'interféromètre à sa sensibilité nominale. Je contribue essentiellement à cette phase avec: la responsabilité de sa caractérisation optique, la responsabilité du système de détection ainsi que la compréhension des bruits techniques limitant la sensibilité de l'interféromètre. L'étude des bruits techniques a fait l'objet d'une thèse que j'ai co-encadré.

Le Modèle Standard de la physique des particules postule l'existence d'un champ doublet scalaire de Higgs, qui après brisure de symétrie électro-faible, donne lieu à la présence d'une particule scalaire neutre, le boson de Higgs. Les recherches directes par les expériences LEP imposent une masse de ce boson, s'il existe, supérieure à 114.5 GeV. Les mesures électro-faibles de précision, quant à elles, contraignent la masse du boson de Higgs, dans le Modèle Standard, à être inférieure à 144 GeV (95 % C.L.). Dans ce domaine de masse, la désintégration du boson de Higgs en deux photons est un des canaux les plus importants pour la recherche de ce boson dans le détecteur ATLAS. Ici, nous évaluons la possibilité d'étudier la production associée avec un boson Z ou W. Elle bénéficie d'un bon rapport signal sur bruit de fond et offre donc le potentiel d'être utilisé pour augmenter la signifiance statistique d'une possible découverte. Les processus de production associée permettront également la mesure des couplages du boson de Higgs aux bosons de l'interaction faible.

Le boson de Higgs est le maillon manquant du modele standard de la physique des particules, et il fait l'objet d'intenses recherches au Tevatron. Cette these presente le travail realise pour la recherche du boson de Higgs de basse masse (100-150 GeV) dans le canal ZH ->e+e-b{bar}, avec les donnees du detecteur D0 correspondant a une luminosite integree de 4.2 fb-1. D'abord le cadre theorique et le dispositif experiemental sont decrits. Ensuite mes etudes sont elaborees pour l'identification des electrons, en particulier dans la region d'intercryostat du detecteur. Enfin, l'analyse de la recherche du Higgs est decrite en detail, et les limites sur la section efficace de la production du boson de Higgs sont presentees.