This thesis contains both physics analysis and hardware studies. It consists of two primary sections: the results of a search for heavy Majorana mass neutrinos, using the event signature of same (like) sign charged electron pairs ($e^{\pm} e^{\pm}$ ) and two jets, and the results of studies to upgrade the Hadronic Forward (HF) and Hadronic Endcap (HE) subdetectors in the Compact Muon Solenoid (CMS) detector in response to the high intensity proton-proton collisions generated at the Large Hadron Collider (LHC) at European Organization for Nuclear Research (CERN, Conseil Europ\'{e}en pour la Recherche Nucl\'{e}aire). In this search for Majorana mass neutrinos, same sign dielectron ($e^{\pm} e^{\pm}$) + dijet events in the final state have been considered as a signature for neutrino particles. The analyzed data corresponds to an integrated luminosity of 19.7 fb\textsuperscript{-1} of proton-proton collisions at a center of mass energy of \begin{math}\sqrt{s} = 8\ TeV \end{math}, collected using the CMS detector during the 2012 operation at the LHC. Monte Carlo simulations accounting for the theoretical expectations of the Standard Model (SM) and the detector limitations are used to prototype the experiment and to test proposed analysis steps. No excess of events is observed in the data beyond the expected SM background. Upper limits are set on the mixing element squared, $|{V}_{eN}|^{2}$, of the heavy Majorana neutrino with standard model neutrinos, as a function of Majorana neutrino mass for masses in the range of 40-500 $GeV/c^2$. The detector upgrade search comprises three sections of this thesis. The first section describes the test results of 1785 multianode Hamamatsu R7600U-200-M4 photomultiplier tubes (PMT) in numerous parameters such as gain, dark current, and timing characteristics, which provide insights on the expected performance of the upgraded CMS-HF detector. These PMTs replaced the previous single anode R7525 PMTs because the glass windows of previous PMTs are the source of Cherenkov radiation, which causes a background noise in the experiment. The second section reports characterization results of two types of PMTs in a novel operation mode for Secondary Emission (SE) Ionization Calorimetry, which is a novel technique to measure electromagnetic shower particles in extreme radiation environments. The third section presents the test results of novel scintillating materials for CMS experiment in specific and future particle accelerators in general. These materials are Polyethylene Naphthalate (PEN), Polyethylene Terephthalate (PET), high efficiency mirror (HEM) and quartz plates with various organic and inorganic coating materials such as p-Terphenyl (pTp), Anthracene and Gallium-doped Zinc Oxide (ZnO:Ga). We have investigated them for radiation hardness, light yield, timing characteristics, and scintillation and transmission properties.

Cette thèse est dédiée à l’étude de la violation CP dans les processus ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ et W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺. Il y a des expériences qui cherchent à identifier ces processus au grand collisionneur de hadrons, ou LHC (Large Hadron Collider). Une conséquence de l’observation de ces désintégrations impliquait une brisure de la conservation du nombre leptonique, car ∆L = 2. Si le neutrino est de type Majorana, il est sa propre antiparticule et on peut observer la double désintégration bêta sans émission de neutrino (0νββ). Ce processus est caractérisé par ∆L = 2. Si nous observons des processus similaires à 0νββ, ∆L = 2, au LHC, il y a aussi la possibilité de chercher la violation CP. La mesure de ce type de violation CP nous donnerait des informations sur de la Nouvelle Physique (NP) qui ne pourraient pas être facilement obtenues autrement. Il existe trois types de violation CP : directe, indirecte et cinématique (produit triple). Ce travail relève essentiellement mes études sur deux processus de violation CP, l’un direct et l’autre produit triple. Elles sont présentées dans deux articles qui sont inclus dans cette thèse. Le premier article est consacré au produit triple dans le processus : ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ . Le modèle que nous avons considéré n’implique pas de neutrino de Majorana. À l’aide de MadGraph, nous avons étudié la violation CP pour les deux processus mentionnés pour deux versions du LHC, haute luminosité HL-LHC (14 TeV) et haute énergie HE-LHC (27 TeV),et pour un futur collisionneur FCC-hh (100 TeV). Nous trouvons que le produit triple n’est pas mesurable au HL-LHC, peut être mesurable au HE-LHC, et est certainement mesurable au FCC-hh. Dans le deuxième article, nous avons examiné comment générer la violation CP avec des neutrinos droitiers. Le deuxième article porte sur l’étude de la violation CP directe dans la désintégration W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺ en impliquant deux neutrinos N1 et N 2. Nous avons trouvé que la valeur de l’asymétrie CP peut être mesurée avec une précision de 3σ et que 0.1% ≤ ACP ≤ 10%. / This thesis is dedicated to the study of CP violation in these processes ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ et W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺. There are experiments which search to identify these processes at the "Large Hadron Collider" (LHC). The outcome of the observation of these decays would imply violation of lepton number conservation, ∆L = 2. If the neutrino is a Majorana particle, it is its own antiparticle and we can observe processes that violate the conservation of the lepton number, ∆L = 2. The neutrinoless double beta decay (0νββ), is a process which is characterized by ∆L = 2, occurs when the neutrinos are Majorana particles. If we observe 0νββ-like processes at the LHC, there is also the possibility of looking for CP violation. Measuring this type of CP violation would give us information about New Physics that could not be easily obtained using other methods. There are three types of CP violation, namely: direct, indirect and kinematic (triple product). This research presents studies concerning direct and triple product CP violation. The first paper is devoted to triple products in the process: ūd→tb̄ e⁻ μ⁻. In addition, the model considered does not involve a Majorana neutrino. Using MadGraph, we have numerically studied and evaluated the CP violation for the two mentioned processes for three types of accelerators: high luminosity HL-LHC (14 TeV), high energy HE-LHC (27 TeV) and for a future FCC-hh collider (100 TeV). We found that the triple product is not measurable at the HL-LHC, may be measurable at HE-LHC, and is certainly measurable at FCC-hh. In the second article, we investigated to see how to generate CP violation with right-handed neutrinos. The second article is on the study of direct CP violation the decay W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺ by involving two neutrinos N1and N2. It is also observed that the value of CP asymmetry can be measured with an accuracy of 3σ and as 0.1% ≤ ACP ≤ 10%.

La série de détecteurs NEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration β sans émission de neutrino qui prouverait que le neutrino est une particule de Majorana (i.e. identique à son antiparticule) et massif. Après avoir présenté l’état des lieux en physique des neutrinos et les détecteurs NEMO 3 et SuperNEMO, cette thèse s’articule en deux parties indépendantes. La première concerne l’étude du bruit de fond provenant des neutrons pour optimiser le blindage destiné au premier module de SuperNEMO. La conclusion de cette étude montre que l’ajout de plaques de polyéthylène boré par rapport au blindage de NEMO 3 (de part et d’autre du blindage en fer) permet d’obtenir un bruit de fond négligeable provenant des neutrons, dans la fenêtre en énergie du canal deux électrons où la double désintégration β sans émission de neutrino du sélénium-82 est attendue, en cinq ans de prise de données de ce premier module. La seconde partie, via l’analyse des données du détecteur NEMO 3, permet une indication de la désintégration double β standard du néodyme-150 vers l’état excité 0+1 du samarium-150. La feuille de néodyme qui est placée dans le détecteur est analysée en détail pour obtenir cette indication à 3, 7σ avec une demi-vie mesurée de : T1/2 (150 Nd0+ →0+1 ) = [7, 12 ± 1, 28 (stat.) ± 0, 91 (syst.)] × 10E19 ans / The NEMO detector series is designed to search for the neutrinoless double β decay, which would prove that the neutrino is a Majorana particle (i.e. identical to its own antiparticle) and has a nonzero mass. After an introduction to neutrino physics and a description of both the NEMO 3 and SuperNEMO detectors, this thesis is articulated in two independent parts.The first provides an investigation of the neutron background in order to optimize the shielding for the first SuperNEMO module. The outcome of the study recommends the addition of borated polyethylene to the NEMO 3 shielding (on both sides of the iron shielding) to obtain a negligible background, coming from neutrons in the energy window of the two-electron channel where the neutrinoless double β decay of selenium-82 is expected, for the duration of five years for which data will be taken with this first module. In the second part, the neodymium foil located in the NEMO 3 detector is deeply analyzed to obtain an indication of the standard double β decay of neodymium-150 to the 0+1 excited state of samarium-150. The measured half-life, with a significance of 3.7σ, is: T1/2 (150 Nd 0+ →0+1 ) = [7.12 ± 1.28 (stat.) ± 0.91 (syst.)] × 10E19 years

L’expérience SuperNEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration bêta (ββ) sans émission de neutrinos impliquant un neutrino de Majorana (ν ≡ ν̄) massif. Le module démonstrateur de l’expérience est actuellement en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). La technique de détection utilisée, dite tracko-calo, permet la mesure en énergie des particules traversant le détecteur ainsi qu’une reconstruction complète de leur cinématique.Cette thèse présente la conception, la simulation et l’implémentation d’un système de déclenchement de l’électronique pour le module démonstrateur de SuperNEMO. Le but de ce système est de maximiser l’efficacité de détection pour des évènements ββ ainsi que pour des évènements dits de bruits de fond issus de la radioactivité naturelle tout en réduisant le taux d’acquisition pour des évènements d’autodéclenchement des détecteurs. Un ensemble d’algorithmes de reconnaissances de traces et d’association calorimètre–trajectographe a été développé et implémenté dans les cartes électroniques après validation par des simulations Monte-Carlo. Les objectifs de performance ont été atteints en prenant en compte les différentes contraintes (physique des détecteurs, électronique, temps réel) maximisant les efficacités de détection pour des évènements d’intérêt physique. / The SuperNEMO experiment is designed for the neutrinoless double beta decay (ββ) research involving a massive Majorana neutrino (ν ≡ ν̄). The demonstrator module of the experiment is currently being installed at the Laboratoire Souterrain de Modane (LSM). The so-called tracko-calo detection technique allows the energy measurement of the particles passing through the detector and a complete reconstruction of their kinematics.This thesis presents the design, simulation and implementation of the electronics trigger system for the SuperNEMO demonstrator module. The purpose of this system is to maximize the detection efficiency for ββ events as well as for background events due to natural radioactivity while reducing the acquisition rate caused by spurious events. Pattern recognition and calorimeter-tracker association algorithms have been developed and implemented in electronic boards after validation by Monte-Carlo simulations. The performance targets have been reached, taking into account different constraints (physics of the detectors, electronics, real time) with maximized detection efficiency for events of interest.