Many astronomical observations, including rotational curve measurements of stars and the analysis of the cosmic microwave background, suggest the existence of an invisible matter density content in the Universe, commonly called Dark Matter (DM). Possibly, DM could be of particle nature, where Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) could be a viable DM candidate. The cubic-kilometer sized IceCube neutrino observatory located at the Earth’s South Pole can search indirectly for the existence of DM by detecting neutrino signals from WIMP self-annihilation in the Galactic center (GC) and the Galactic halo (GH). Two main physics analyses were developed and conducted to search indirectly for WIMP self-annihilation in the Milky Way’s GC and GH. Signal hypotheses for different WIMP annihilation channels, WIMP masses and DM halo profiles were tested. The results of both analyses were compatible with the background-only hypothesis for all tested signal hypotheses. Thus, upper limits at the 90% confidence level (C.L.) on the thermally averaged DM self-annihilation cross-section, &lt;σΑv&gt;, were set. Dedicated atmospheric muon veto techniques have been developed for the GC search making such an IceCube analysis possible for the first time. The GC analysis utilized data from 319.7 days of live-time of the IceCube detector running in its 79-string configuration during 2010 and 2011, whereas the GH analysis utilized pre-existing data samples developed for point-like neutrino sources with a live-time of 1701.9 days between 2008 and 2013. The most stringent upper limits on &lt;σΑv&gt; were obtained for WIMP annihilation directly into a pair of neutrinos assuming a Navarro-Frenk-White (NFW) DM halo profile. Conducting the GC and GH analyses for this annihilation channel an upper limit on &lt;σΑv&gt; as low as 4.0 · 10-24 cm3 s-1 and 4.5 · 10-24 cm3 s-1 is set for a 65 GeV and 500 GeV massive WIMP, respectively. These galactic indirect neutrino searches for DM are complementary to the indirect gamma-ray DM searches usually performed on extra-galactic targets like spheroidal dwarf galaxies. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript.</p>

Les expériences d’astroparticules n’ont cessé de fleurir ces dix dernières années dans le but de connaître l’origine des rayons cosmiques et les procédés mis en œuvre dans leur accélération à des ultra-hautes énergies. Les télescopes Cherenkov tels que ANTARES détectent la lumière Cherenkov issue des muons se propageant dans l’eau de mer méditerranée. Les muons sont les produits d’interaction de neutrinos cosmiques (signal) ou atmosphériques (bruit) avec les noyaux de la terre. Pour offrir les meilleures conditions de détection de la lumière Cherenkov, et par conséquent bien reconstruire les traces des muons détectés, les détecteurs de lumière i.e les photomultiplicateurs doivent satisfaire plusieurs conditions. Le premier volet de cette thèse porte sur le développement de photomultiplicateurs utilisant le cristal comme préamplificateur de signal optique. L’avantage d’un tel procédé est la possibilité de séparer plusieurs pics photo-électrons et d’améliorer la résolution tem- porelle gra&#770;ce à un fort champ électrique. La conception d’un tel prototype et la possibilité de son industrialisation à grande échelle sont développés pour la première fois dans cette thèse. Le deuxième volet s’inscrit dans la nouvelle thématique multi-messagers d’ANTARES.Un suivi avec six télescopes optiques répartis sur chaque hémisphère est déclenché lorsque ANTARES détecte un neutrino de haute énergie ou un ensemble de neutrinos coïncidents en temps et en direction. Un tel système permet d’augmenter la sensibilité de détection de neutrinos provenant de sources transitoires tels que les sursauts gamma et les Supernovæ à effondrement de cœur. Un système d’alertes neutrino est maintenant implémenté et fonctionne continument et de manière autonome sur ANTARES. Le système offre de bonnes performances; le suivi optique se déclenche dans la minute suivant la détection neutrino et l’incertitude sur la reconstruction de la trajectoire du neutrino est de 0.4&#9702; (valeur médiane). Une fois l’alerte reu çe par un des télescopes, celui-ci se repositionne sur la direction du neutrino et entame une série d’observations réparties sur le mois suivant l’alerte. Cette thèse a porté dans un premier temps sur l’aspect neutrino en développant le filtre sélectionnant les évènements haute énergie et multi-neutrinos. Des outils d’analyse d’images optiques ont ensuite été implémentés pour la recherche de sources transitoires. Les premiers résultats de recherche de contreparties optiques de sursauts gamma en corrélation avec un signal neutrino sont présentés. / Astroparticle experiments are being developed with the aim of resolving the mystery of cosmic rays. Questions like from where cosmic rays originate or how do they get accelerated up to ultra high energies are still unresolved. Cherenkov telescopes like ANTARES detect the Cherenkov light emitted by muons propagating in the sea water. Muons are produced by the interaction of cosmic neutrinos (signal) or atmospheric neutrinos (noise) with the Earth nuclei.In order to offer the best detection conditions of Cherenkov light, and subsequently ensure a good reconstruction quality of the muons trajectory, the light sensors i.e the photomultipliers must satisfy various conditions.The first part of this thesis focuses on the development of photomultipliers using crystals as a preamplifier of the light signal. The advantage of such a method is the possibility to separate individual photo-electrons and to enhance the temporal resolution by applying a high electric field.The design and conception as well as the possibility to produce such devices at large industrial scales is for the first time developed in this thesis.The second part of the thesis is inspired from the new multi-messenger approach in ANTARES. An optical follow-up with six telescopes spread over the two hemispheres is triggered by the detection of a high energy neutrino or a set of neutrinos coincident in time and direction. Such a system enhances the sensitivity to transient sources such as Gamma Rays Bursts (GRB) or Core Collapse Supernovae. The neutrino alert system is now fully operational. The system offers good performances; the optical follow-up starts within one minute from the neutrino detection and the median angular accuracy of the reconstructed neutrinos is 0.4$^circ$.Upon the reception of an alert, the telescopes point at the neutrino direction and start the acquisition of image series almost each night of the month following the neutrino alert. Image analysis tools have been implemented to search for optical transients; First results on the search of GRB optical counterparts correlated with a neutrino signal are presented.

Recherche des neutrinos de ultra haute energie avec le telescope ANTARES. Exploitations de 3 ans de donnees (2008-2011) pour la recherche d'un signal astrophysique, soit flux de Waxman Bahcall, soit neutrinos cosmogeniques. Utilization de technique d'analize multivariable. / Search for ultra high energy neutrinos with ANTARES telescope. Data analysis on 3 years of lifetime (2008-2011), to look for astrophysical signal, according to Waxman-Bahcall flux or cosmogenic one. Exploitation of multivariate analysis techniques.

Double Chooz est une expérience dédiée à la mesure de l'angle de mélange θ₁₃ caractérisant le phénomène d’oscillation des neutrinos. Elle consiste en l’installation de deux détecteurs identiques respectivement installés à 400 m et 1050 m des deux réacteurs à eau pressurisée de la centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes. Les réacteurs nucléaires sont en effet à l’origine d’un flux intense d’antineutrinos électroniques (de l’ordre de 10²¹ ⊽ₑ/s pour un réacteur de 1GWe)qui peut être détecté par réaction bêta inverse dans le liquide scintillant des détecteurs : ⊽ₑ + p −> e⁺ + n. Le paramètre θ₁₃ peut ensuite être déterminé en cherchant une réduction du nombre d’antineutrinos et une distorsion du flux mesuré dans le détecteur lointain par rapport au détecteur proche. La première phase de l’expérience pour laquelle uniquement le détecteur lointain prend des données a débuté en avril 2011. En l’absence du détecteur proche dont l’installation sera terminée en 2014, une prédiction du flux d’antineutrinos non oscillé attendu dans le détecteur lointain est nécessaire à la prédiction de θ₁₃ . Dans ce manuscrit, nous présentons le travail de simulation réalisé en vue de prédire les taux de fission des deux cœurs de Chooz à l’origine des antineutrinos émis par les réacteurs. Pour cela des simulations de cœur complet des réacteurs ont été développées à l’aide du code de simulation MCNP Utility for Reactor Evolution (MURE). Les résultats de ces simulations ont permis de déterminer les taux de fission et les erreurs systématiques associées durant les périodes de prise de données et d’aboutir à la première indication d’un angle θ₁₃ non-nul en novembre 2011. / The Double Chooz experiment is designed to search for a non-vanishing mixing angle θ₁₃ characterizing the ability of neutrinos to oscillate. It consists in two identical detectors located respectively at 400 m and 1050 m of the two pressurized water reactors of the Chooz nuclear plant in the French Ardennes. Indeed, nuclear reactor are huge electron antineutrino emitters (about 10²¹ ⊽ₑ/s for a 1GWe reactor). In Double Chooz, antineutrino sare detected by the inverse beta decay process in the liquid scintillator of the detectors : ⊽ₑ + p −> e⁺ + n. The θ₁₃ parameter can be investigated searching for ⊽ₑ disappearance and ⊽ₑ energy distortion in the far detector with respect to the near detector. The first phase of the experiment during which only the far detector is taking data has started in April 2011. In absence of far detector whose installation will be completed in 2014, a prediction of the non-oscillated antineutrino flux and spectrum shape expected in the far detector is mandatory to measure θ₁₃ . In this manuscript, we present the simulation work performed to predict the fission rates of both Chooz cores responsible for the reactor antineutrino flux. In this view, a complete core model has been developed with the MCNP Utility for Reactor Evolution (MURE) simulation code. The results of these simulations were used to determine the fission rates and associated systematic errors since the beginning of data taking and led to the first indication for a non-zero θ₁₃ mixing angle in November 2011.

Existierende Neutrinoteleskope sind für den Nachweis von Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen mit Energien im TeV Bereich optimiert. Aufgrund der geringen Flüsse und Wirkungsquerschnitte wurden bislang keine extraterrestrischen hochenergetischen Neutrinos beobachtet. Erst die im Bau befindlichen kubikkilometer-großen Cherenkov-Neutrinodetektoren werden das notwendige Volumen haben, um diese nachzuweisen. Für Neutrinos aus Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung im EeV-Bereich mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund wird dennoch nicht mehr als ein Ereignis im Jahr erwartet. Nachweisvolumen in der Größenordnung von 100 km^3 sind notwendig, um den Fluß dieser Neutrinos zu bestimmen und die vorhergesagten Wirkungsquerschnitte zu überprüfen. Alternative Meßtechniken sind erforderlich, um einen Detektor dieses Ausmaßes zu realisieren. Eine vielversprechende Idee ist die Erfassung akustischer Wellen aus den in der Neutrinowechselwirkung erzeugten hadronischen Kaskaden. Aufgrund der höheren Signalstärke und der großen Schalldämpfungslängen ist die Eisdecke des Südpols dem Wasser der Ozeane als Medium vorzuziehen. Zunächst sind jedoch geeignete Sensoren, eine Überprüfung der thermo-akustischen Schallerzeugung und Kenntnisse der akustischen Eigenschaften des Eises von Nöten. In einer theoretischen Ableitung konnte die Äquivalenz der Mechanismen der Erzeugung akustischer Wellen durch thermo-elastische Anregung in Flüßigkeiten und isotropen Festkörpern gezeigt werden. Einer Analyse des existierenden Wissensstandes folgte die Simulation eines kombinierten Cherenkov-Radiowellen-Ultraschall-Detektors. Für den Einsatz im Eis wurden spezielle akustische Sensoren entwickelt und zur Erfassung der Schallemission von intensiven Protonen- und Laserstrahlen eingesetzt. Darauf aufbauend wurde ein akustische Sender- und Empfänger-Aufbau entwickelt, mit dem Ziel, die Ultraschalleigenschaften des südpolaren Eises in-situ zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser ersten Bemühungen werden in dieser Arbeit vorgestellt. / Current neutrino telescopes are designed to detect neutrinos with energies in the TeV range. Due to the low fluxes and small cross sections, no high energy neutrinos of extraterrestrial origin have been observed so far. Only the Cherenkov neutrino detectors on the km^3 scale that are currently under construction will have the necessary volume to observe these rare interactions. Yet, for neutrinos from interactions of the ultra-high energy cosmic at EeV energies rays with the ambient cosmic microwave background, event rates of only one per year are expected. To measure the flux and verify the predicted cross sections of these cosmogenic neutrinos, an observed volume of around 100 km^3 will be necessary, that will not be feasible with existing detection techniques. Alternative methods are required to build a detector on these scales. One promising idea is to record the acoustic waves generated in cascades following the neutrino interaction. Higher amplitudes of the sonic signal and the large absorption length of sound favour South Polar ice instead of sea water as a medium. For an estimate of the potential of such a detector, suitable acoustic sensors, a verification of the model of thermo-acoustic sound generation and a determination of the acoustic properties of the ice are necessary. In a theoretical derivation the mechanism of thermo-elastic excitation of acoustic waves was shown to be equivalent for isotropic solids and liquids. A detailed analysis of the existing knowledge and a simulation study of a hybrid optical-radio-acoustic detector have been performed. Ultrasonic sensors dedicated to in-ice application were developed and have been used to record acoustic signals from intense proton and laser beams. Based on this, the hitherto largest array of acoustic sensors and transmitters was devised and implemented, with the aim to study the ultrasonic properties of the South Polar ice in-situ. Results from all of these first efforts are presented.

L’expérience T2K étudie les propriétés des neutrinos, en particulier le phénomène d’oscillation des neutrinos. Se déroulant au Japon, elle utilise un faisceau de neutrinos muoniques produit par le complexe d’accélérateur J-PARC, un détecteur proche, ND280 sur le site même de J-PARC pour caractériser le faisceau, et un détecteur lointain, Super-Kamiokande situé à 295 km pour mesurer les oscillations de neutrinos. Le détecteur proche permet également d’étudier les interactions des neutrinos et cette thèse porte sur la mesure des sections efficaces de diffusion profondément inélastique des neutrinos muoniques.Le manuscrit introduit d’abord la physique des neutrinos, puis l’expérience T2K et en particulier les chambres à projection temporelles du détecteur proche, en insistant sur la vérification de la qualité des données, dont j’avais la charge. L’analyse porte sur les données de T2K enregistrées jusqu’en 2013. La sélection d’interactions de neutrinos muoniques par courant chargé est ensuite présentée, ainsi qu’une étude préliminaire de la sélection d’interactions de neutrinos muoniques par courant chargé avec production d’un pion neutre. Un critère portant sur la multiplicité des traces permet d’enrichir le premier lot en interactions correspondant à une diffusion profondément inélastique de neutrinos. Finalement un ajustement, validé d’abord sur des données simulées, permet d’extraire les sections efficaces de diffusion profondément inélastique des neutrinos muoniques. / The T2K experiment studies the properties of neutrinos, particularly neutrino oscillations. It takes place in Japan and uses a muonic neutrino beam produced by the J-PARC accelerator complex, a near detector, ND280 on the J-PARC site in order to characterise the beam, and a far detector, Super-Kamiokande 295 km away in order to measure the neutrino oscillations. The near detector is also used to study the neutrino interactions and the goal of this thesis is the measurement of muonic neutrino deep inelastic scattering cross sections.The thesis first introduces neutrino physics, then the T2K experiment and more particularly the time projection chambers of the near detector, and its data quality checking that I was in charge of. The analysis is based on the T2K data recorded until 2013. The selection of charged current muonic neutrino interactions is then presented, as well as a preliminary study of the selection of charged current muonic neutrino interactions with the production of a neutral pion. A criterion on track multiplicity allows enriching the former sample in interactions corresponding to a neutrino deep inelastic scattering. Finally a fit, first validated on simulated data, allows the extraction of the muonic neutrino deep inelastic scattering cross sections.

L'enthousiasme de la communauté scientifique pour l'étude des oscillations<br />de neutrinos n'a d'égal que les masses de leurs détecteurs. L'expérience<br />MINOS détermine et compare les spectres proches et lointains des neutrinos<br />muoniques du faisceau NuMI, afin de mesurer deux paramètres d'oscillation:<br />$\Delta m_{23}^2$ et $sin^2(2\theta_{23})$. Les spectres sont obtenus par<br />l'analyse des interactions par courant chargés dont la difficulté réside<br />dans l'identification des produits des interactions (e.g. muons). Une<br />méthode alternative permettant d'identifier les traces de muons courbées par<br />le champ magnétique des détecteurs, ainsi que de déterminer leurs énergies<br />est présentée dans ce manuscrit. La sensibilité des détecteurs est optimale<br />pour les interactions quasi-élastiques dont une méthode de sélection est<br />proposée, afin d'étudier leur oscillation. Bien que réduisant la<br />statistique, une telle étude introduit moins d'erreur systématique,<br />constituant la méthode idéale à long terme.

The OPERA experiment is designed to perform first direct observation of $nu_{tau}$ appearance in an almost pure $nu_{mu}$ beam. The OPERA detector is a hybrid set-up which combines a lead/emulsion target with various electronic detectors. It is located in Gran Sasso Laboratory (LNGS), 730 km away from CERN where neutrino beam is produced. A good electron identification in the ECC brick would also allow OPERA to search for $nu_{mu}rightarrownu_{e}$ oscillations. We have studied electron identification in the Emulsion Cloud Chamber (ECC) brick which was exposed to CERN SPS H4 electron beam. Emulsion scanning was performed in LNGS scanning laboratory. FEDRA framework was used for the data analysis. In total, we have found 30 electron showers in the brick. The characteristics of each shower have been studied. The background base-track contamination in the shower was estimated as $20pm 4$. This is mainly due to shower overlap of electrons and passing through cosmic rays.

The OPERA experiment is designed to search for nu-tau appearance in almost pure CERN-SPS nu-mu beam. The OPERA detector is placed in the Gran Sasso underground laboratory which is 730 km away from CERN. It is a hybrid set-up which combines a lead/emulsion target with various electronic detectors. The detector is composed of two super modules(SM) which contains about 150,000 ECC bricks. Each of the brick is obtained by stacking 56 lead plates with 57 emulsion films. Behind the each brick, an emulsion film doublet, called Changeable Sheet (CS) is attached in order to confirm tracks produced in neutrino interactions. The CS requires very low background track density in order to ensure the expected performance in the experiment. The background tracks in CS can be erased by a special treatment called as refreshing. A refreshing facility was constructed in the LNGS laboratory. The METU group has participated in the construction of the facility and the production of the CS films from the beginning. The main steps of emulsion refreshing and the test results on emulsion quality after the refreshing will be discussed. A Monte Carlo simulation is performed in order to estimate background to nu-mu to nu-tau oscillation due to D0 production and decay in the ECC brick. It is found that this background is significant for the short decay path topology of the tau lepton.

OPERA stands for Oscillation Project with Emulsion t-Racking Apparatus. The main goal of the OPERA experiment is to search for tau neutrino appearance in almost pure muon neutrino beam. The detector is located at Gran Sasso, 730 km away from the neutrino source, at CERN. In this thesis, the reconstruction efficiency and purity of neutrino interactions in the OPERA target have been studied by using Monte Carlo simulation. The efficiency of primary vertex reconstruction for muon neutrino Charge Current (CC) events is estimated as 83.2 percent. The main source of inefficiency is due to Quasi-elastic like topologies in which only one track is reconstructed. The purity of primary vertex tracks is found to be 99 percent. On the other hand, the reconstruction efficiency for muon neutrino CC charm events is estimated to be 90.2 percent, while the purity of the primary tracks is 67 percent. The low purity is due the fact that the secondary vertex tracks are wrongly assigned in the primary vertex. This spoils the purity.