L'expérience JUNO est une expérience basée sur un détecteur à scintillateur liquide ayant pour objectif principal de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos. JUNO atteindra une sensibilité de trois écarts standards en 6 ans, avec une résolution en énergie sans précédent, meilleure que 3% à 1MeV. Le détecteur central de JUNO est un détecteur à scintillateur liquide de 20 kilotonnes, construit avec une couverture de photocathode élevée (78%) et une bonne transparence. La couverture de photocathode est assurée par 18000 photomultiplicateurs de 20 pouces et 25000 de 3 pouces, ce qui permet d'atteindre un rendement d'environ 1200 photoélectrons par MeV. Malgré les 700m d'épaisseur de roche protégeant le détecteur des rayonnements cosmiques, le bruit de fond induit par les muons atmosphériques est toujours considéré comme non négligeable par rapport au signal attendu pour la détermination de la hiérarchie de masse. Pour faire face à ce bruit de fond, un détecteur appelé "Top Tracker" permet d'améliorer la détection de ces muons. Cette thèse concerne les travaux d'optimisation pour cette expérience actuellement en cours de construction, et dont les prises de données commenceront en 2021.Pour les photomultiplicateurs de 20 pouces, deux nouvelles géométries de concentrateurs de lumière sont étudiées afin de vérifier leurs performances pour augmenter le rendement photoélectronique et donc la résolution en énergie de JUNO. La distribution spatiale et le schéma de câblage des photomultiplicateurs de 3 pouces font aussi l'objet d'études pour assurer une performance optimale du système.Cette thèse aborde ensuite la conception du système de déclenchement du Top Tracker. En effet, ce détecteur doit posséder un tel système pour rejeter les signaux produits par la radioactivité naturelle dans la caverne. Les résultats montrent qu'un système à 2 niveaux doté d'algorithmes optimisés est efficace pour la suppression de ces signaux et qu'il est ainsi possible d'obtenir une efficacité de détection des muons de 93%. Une discussion sur la contribution du Top Tracker à la suppression et à la mesure du bruit de fond induit par les muons atmosphériques est également incluse. / The JUNO experiment is a multi-purpose liquid scintillator neutrino experiment with the main objective of determining the neutrino mass hierarchy (nuMH) with a significance better than 3sigma. To achieve this goal, it is crucial that JUNO has an unprecedented energy resolution of 3% at 1 MeV. Therefore, the JUNO Central Detector (CD) will be built with 20000 ton high transparency liquid scintillator and high photomultiplier tube (PMT) photocathode coverage of 78%, which is provided by 18000 20"-PMTs (LPMTs) and 25000 3"-PMTs (SPMTs). At the same time, the background induced by atmospheric muons should be vetoed by using reconstructed muon tracks. The Top Tracker (TT) is a muon tracker installed on top of the CD for precise muon tracking.This thesis details firstly the optimisation of the LPMT and the SPMT systems, which are directly related to the antineutrino calorimetry. New designs of light concentrator tailored for the JUNO LPMT are studied in order to verify their performance on increasing the JUNO photoelectron yield. By comparing different configurations, the relation between the SPMT system performance and the non-uniform distribution of the SPMT emplacements is studied, and the scheme used for cabling between SPMTs and their Under Water Boxes (UWBs) is studied to ensure a minimal performance degradation in case of UWB failure.Afterwards, this thesis reports on the design and optimisation of the TT trigger algorithms. Due to the background induced by natural radioactivity in the JUNO cavern, the TT cannot work correctly without a trigger system. The results show that a 2-level trigger with the optimised trigger algorithm is effective for the background suppression and thus a muon detection efficiency of 93% can be achieved.A discussion about the TT contribution to the suppression and the measurement of the atmospheric muon-induced background, is also included.

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.<p><p>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. <p> / Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le Timepix3, successeur du Timepix, est un détecteur au silicium composé de deux couches sensibles installées en parallèle. Chaque couche est munie d’une matrice de 65 536 pixels (256x256) et d’une épaisseur de 500 μm. Une des améliorations du Timepix3 par rapport aux générations précédentes est qu’il est possible de récolter simultanément la quantité de charge déposée ainsi que le temps d’arrivée de cette charge. Pour la prise de données Run 3 du LHC qui a débuté en 2022, 16 détecteurs Timepix3 ont été installés dans la caverne du détecteur ATLAS. Les Timepix3 seront utilisés pour mesurer la luminosité du faisceau du LHC ainsi que pour caractériser et mesurer la radiation dans la caverne ATLAS, où beaucoup de composantes électroniques sont installés. L’objet de cette maitrise est de développer un algorithme d’identification des particules qui frappe le détecteur Timepix3. Dans un premier temps, l’information de la quantité d’énergie déposée et du temps d’arrivée sera utilisée pour caractériser un champ de particules incidentes au détecteur Timepix3 (électrons, photons, particules lourdes chargées). La nouvelle méthode consiste à utiliser les paramètres physiques des particules lors de leurs interactions avec le milieu, tels que la trajectoire, l’angle d’incidence, le dépôt d’énergie, la densité spatiale de l’amas, densité énergétique le long de la trajectoire de la particule incidente. Dans un second temps, comme les rayons delta sont des effets récurrents et indésirables qui perturbent l’analyse des données en physique des particules, ce mémoire traitera de la façon de les supprimer pour ne récolter que l’énergie déposée directement par la particule incidente. Il sera aussi question d’utiliser la statistique liée à la production des rayons delta lors du passage d’un flux de particules dans le détecteur pour en déterminer l’énergie cinétique. L’algorithme développé pour caractériser un champ de particules avec le Timepix3 a été confronté aux données obtenues avec un cyclotron de protons à Aahrus au Danemark. Nous avons obtenu des résultats satisfaisants, étant donné que la majorité des particules sont identifiées comme des protons et que nous avons réussi à déterminer l’énergie cinétique de ces protons qui se rapproche de l’énergie cinétique du faisceau de protons utilisé. / The Timepix3, successor to the Timepix, is a silicon detector composed of two sensitive layers mounted in parallel. Each layer has a matrix of 65 536 pixels (256x256) and a thickness of 500 μm. One of the improvements of the Timepix3 compared to previous generations is that it is possible to simultaneously collect the quantity of charge deposited as well as the time of arrival of this charge. For the LHC Run 3 data taking which started in 2022, 16 Timepix3 detectors were installed in the ATLAS detector cavern. The Timepix3 will be used to measure the luminosity of the LHC beam as well as to characterize and measure the radiation in the ATLAS cavern, where many electronic components are installed. The purpose of this master thesis is to develop an algorithm for identifying particles that strike the Timepix3 detector. Initially, information on the amount of energy deposited and the time of arrival will be used to characterize a field of particles incident at the Timepix3 detector (electrons, photons, heavy charged particles). The new method consists in using the physical parameters of the particles during their interactions with the medium, such as the trajectory, the angle of incidence, the energy deposition, the spatial density of the cluster, energy density along the trajectory of the incident particle. Secondly, as delta rays are recurring and undesirable effects which disturb the analysis of data in particle physics, this thesis will deal with how to suppress them in order to harvest only the energy deposited directly by the incident particle. It will also be a question of using the statistics linked to the production of delta rays when a flow of particles passes through the detector to determine their kinetic energy. The algorithm developed to characterize a particle field with the Timepix3 was confronted with data obtained with a proton cyclotron at Aahrus in Denmark. We have obtained satisfactory results, given that the majority of the particles are identified as protons and that we have succeeded in determining the kinetic energy of these protons which is close to the kinetic energy of the proton beam used.

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

Grâce à la grande section efficace de production de paires bb, LHC offre une excellente occasion de faire des études de courants neutres changeant la saveur. Ces transitions sont sensibles aux effets de nouvelle physique. Cette thèse porte sur l'analyse des événements B->K*ee qui permettent de mesurer la fraction de photon avec une polarisation droite et donc de rechercher des signaux de nouvelle physique émis dans la transition b ->s. En effet, dans le Modèle Standard, la polarisation des photons est gauche. La paire e+e, lors que la masse invariante de la paire de leptons est basse, provient d'un photon virtuel et permet donc de sonder la polarisation de celui-ci. Cette mesure se fait grâce à l'étude des distribution angulaires de cette désintégration à quatre corps. Une première étape est la mesure du rapport d'embranchement dans le domaine de masse 30-1000MeV=c2. En effet, cette désintégration n'a jamais été observée dans cette région, y compris auprès des usines a B a cause du très faible rapport d'embranchement. Cette analyse comportant des électrons de basse impulsion transverse est expérimentalement complexe dans un environnement tel que celui du LHC. La mesure est faite relativement au rapport d'embranchement de la désintégration B->J/Psi(ee)K*. En effet, cela permet de s'affranchir de nombreux effets expérimentaux ainsi que de la détermination absolue des efficacités. Le résultat, repose sur les données collectées par LHCb en 2011 et correspondant a une luminosité intégrée de 1 fb-1: B(B->K*ee)30-1000MeV = (3:19+0:75-0:68(stat) +/- 0:21(syst) =/-0.15(PDG)) x10-7 en utilisant la valeur PDG pour le rapport d'embranchement de la désintégration B->J/Psi(ee)K*. La dernière partie de la thèse porte sur des études Monte Carlo qui montrent que la précision sur la fraction de photon avec une polarisation droite que l'on peut espérer obtenir avec l'inclusion des données de 2012 est d'environ 0.1, comparable à la moyenne mondiale obtenue avec des méthodes différentes. / The high bb cross section produced by the LHC offers an excellent opportunity for thestudy of flavour changing neutral current B decays, where the effects of new physics can be probed. This thesis presents an analysis of the rare decay B->K*ee which can be used to measure the polarisation of the photon in the b -> s transition. When the dilepton mass is low, the ee pair comes predominantly from a virtual photon, and the polarisation can be accessed via an angular analysis. It is predicted to be predominantly left handed in the Standard Model, and therefore an enhanced right handed amplitude would be a sign of new physics. A first step is to measure the branching fraction in the dilepton mass range, 30 MeV to 1 GeV. This decay has not yet been observed in this region, due to its small branching ratio. The analysis involves electrons with low transverse momentum, and is thus experimentally complex in the hadronic environment at the LHC. The branching ratio is measured relative to that of B->J/Psi(ee)K*, which eliminates both certain experimental effects, and the need to determine absolute effciencies. The result is obtained with an integrated luminosity of 1 fb-1 of pp collisions, collected by LHCb during 2011 and is found to be:B(B->K*ee)30-1000MeV = (3:19+0:75-0:68(stat) +/- 0:21(syst) =/-0.15(PDG) x10-7 when using the PDG value for the B->J/Psi(ee)K* branching ratio. The last part of the thesis presents Monte Carlo studies, showing that with the inclusion of the 2012 data sample, the expected sensitivity on the fraction of right handed polarisation is approximately 0.1, which is comparable with the world average obtained with different methods.

Les moments magnétiques anomaux des leptons ont joué un rôle important dans le développement du modèle standard de la physique des particules. Aujourd’hui, celui du muon est mesuré très précisément et le sera avec une precision encore plus grande par une expérience qui débutera en 2017. Dans la mesure où la prédiction théorique pourra être faite avec des incertitudes comparables, un test rigoureux du modèle standard sera possible. Nous étudions ici le facteur limitant de cette prédiction, la contribution de la polarisation hadronique du vide à l’ordre dominant (HVP-LO). Nous calculons cette contribution numériquement à l’aide d’une version discrétisée de la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique sur réseau. Le calcul haute-performance permet de résoudre la théorie dans son régime hautement non-linéaire qui est le plus pertinent ici. Les algorithmes de simulation et les méthodes utilisées pour obtenir la polarisation hadronique, ainsi que les incertitudes associées, sont décrits. Ces méthodes sont ensuite appliquées à des simulations réalisées avec la collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal. Dans un premier temps, elles sont implémentées dans une étude dédiée des effets de volume fini. Les méthodes les plus robustes sont ensuite utilisées pour calculer la polarisation hadronique avec des simulations qui comprennent N_f=2+1+1 saveurs de quarks. Celles-ci sont réalisées directement à la valeur physique des masses de quarks u, d, s et c, avec six tailles de maille et dans de gros volumes de 6 fm^3. Elles nous permettent de calculer la contribution HVP-LO au moment magnétique anomal du muon avec des erreurs contrôlées d’environ 3%. / The anomalous magnetic moments of leptons have played an important role in the development of the Standard Model of particle physics. Today, that of the muon is measured very precisely and will be so with even higher precision in an experiment that will begin in 2017. To the extent that the theoretical prediction can be made with comparable uncertainties, a rigorous test of the Standard Model will be possible. Here we study the limiting factor in this prediction, the leading-order hadronic vacuum polarization contribution (HVP-LO). We compute this contribution numerically with a discretized version of the theory of the strong interaction: lattice Quantum Chromodynamics. High-performance computing allows to solve the theory in its highly nonlinear regime, which is the one most relevant here. The simulation algorithms and the methods used to obtain the HVP, as well as the associated statistical and systematic uncertainties, are described. These methods are then applied to simulations performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration. First they are implemented in a dedicated study of finite-volume effects. The most robust methods are then used to compute the HVP with simulations which include N_f=2+1+1 flavors of quarks. These are performed directly at the physical values of the u, d, s and c quark masses, with six lattice spacings and in large volumes of 6 fm^3. They allow us to compute the HVP-LO contribution to the anomalous magnetic moment of the muon with controlled errors of around 3%.

La brisure spontanee de la symetrie chirale (BSSX) gouverne QCD a basse energie. Si on pouvait augmenter le nombre de saveurs legeres N_f en partant de QCD (N_f=3), la structure de la BSSX devrait evoler du fait des boucles de quarks legers. L'etude du spectre de l'operateur de Dirac en QCD euclidienne indique que deux parametres d'ordre chiraux decroissent quand N_f augmente: le condensat de quarks legers S=- (parametre d'ordre le plus simple) et la constante de desintegration pseudoscalaire F (signal non-ambigu de la BSSX). L'ampleur de cette decroissance depend de la violation de la regle de Zweig dans le secteur scalaire. Le spectre des mesons pseudoscalaires (masses, constantes de desintegration) permet de contraindre certaines constantes de basse energie qui decrivent la structure chirale du vide pour N_f=2 (m_u,m_d->0) et N_f=3 (m_u,m_d,m_s->0). Une regle de somme permet d'exploiter des donnees dans le secteur 0++ pour contraindre S(2)-S(3). La presence de la resonance f_0(980) favorise une decroissance sensible de S entre 2 et 3 saveurs. Cette decroissance pourrait s'expliquer par la proximite d'une valeur critique de N_f pour laquelle le condensat de quarks s'annule. On peut extraire des combinaisons de parametres d'ordre chiraux tres sensibles a une telle transition de phase, en analysant la dependance en volume de moments inverses du spectre de l'operateur de Dirac sur un tore euclidien. La simulation sur reseau de ces moments inverses permettrait d'etudier la transition de phase S(N_f)->0.

Le détecteur Nemo3 a été conçu pour étudier la double désintégration bêta, et notamment, le processus sans émission de neutrino ( bb0v). Toutefois, la quantité de 100Mo présente dans le détecteur (7 kg) permet aussi une mesure compétitive de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ( bb2v) du 100Mo vers l'état excité 0+1 du 100Ru (canal eeNy). Ledit processus et les sources de bruit de fond attendues ont d'abord fait l'objet 'études par simulations Monte-Carlo, a n d'estimer ensuite leurs contributions respectives à l'ensemble des données expérimentales de Nemo3 (2003-2011). Celles-ci ont été analysées : la demi-vie du processus bb2v a pu être mesurée et une limite inférieure sur la demi-vie du processus bb0v établie. Par ailleurs, l'expérience SuperNEMO, successeur de Nemo3, vise à atteindre une sensibilité de 1026 années sur la demi-vie du processus bb0v. Aussi, la radiopureté des feuilles sources de SuperNEMO est soumise à des contraintes que ne permettent pas de mesurer les méthodes usuelles de spectrométrie y : 2 µBq.kg-1 en 208Tl et 10 µBq.kg-1 en 214Bi. C'est pourquoi un détecteur dédié, BiPo, a été développé pour mesurer les contaminations en 208Tl et en 214Bi des feuilles sources de SuperNEMO, par détection de la chaîne b-alpha de décroissance Bi->Po->Pb. Après avoir validé le principe de mesure, la contamination intrinsèque au détecteur a été mesurée. Extrapolée à un détecteur BiPo final de 3:6m2, ce dernier permettra de mesurer les contaminations des feuilles sources de SuperNEMO en 208Tl et en 214Bi, en six mois de mesure, avec la sensibilité requise.

Le travail effectué dans cette thèse présente diverses études théoriques et phénoménologiques du processus de production exclusive de mésons vecteurs rho neutres polarisés longitudinalement dans les collisions entre photons virtuels, dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD). La virtualité des photons permet de situer notre approche dans le secteur perturbatif de la théorie. Les régimes cinématiques envisagés mènent à l'utilisation d'outils théoriques variés qui font apparaître différentes propriétés de factorisation de l'amplitude de diffusion: deux types de factorisation colinéaire (à courte distance) pour ce processus sont discutés au chapitre 1, faisant apparaître –suivant la polarisation des photons virtuels et le régime cinématique considéré- des Amplitudes de Distribution Généralisées (GDA) ou des Amplitudes de Distribution de Transition (TDA), outils communément utilisés dans la description des processus exclusifs. Nous introduisons dans le Chapitre 2 de manière autocohérente les bases du formalisme BFKL valide dans la limite à haute énergie (limite de Regge) de QCD, en vue de son utilisation phénoménologique détaillée dans le Chapitre 3: l'amplitude de diffusion du processus est décrite dans ce formalisme en exploitant la factorisation dans l'espace bidimensionnel des impulsions transverses, ou kT-factorisation. Nous prédisons la valeur de la section efficace du processus à l'ordre de Born de la resommation BFKL et nous discutons de son observation possible auprès du futur collisionneur linéaire international (ILC). Nous obtenons également les sections efficaces différentielles du processus sans transfert d'impulsion avec resommation BFKL complète à l'ordre des logarithmes dominants (Leading-Order) ainsi qu'à l'ordre suivant (Next-to-Leading-Order) afin d'établir un test fin du processus d'échange d'un Poméron dur décrit par le formalisme BFKL, observable au futur collisionneur linéaire ILC.

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.