Le travail de cette thèse est consacré à la recherche de leptons excités de première génération dans les données enregistrées par l'expérience H1 auprès du collisionneur électron (positron)-proton HERA. <br /><br />Cette recherche est motivée par les approches théoriques qui étendent le modèle standard en supposant l'existence de sous-structures composites aux leptons. <br />L'ensemble des données de collisions $e^+p$ et $e^-p$ accumulées par H1 entre $1994$ et $2007$, correspondant à une luminosité intégrée de $475$~pb$^{-1}$, ont été utilisées pour cette recherche. Les analyses effectuées concernent treize topologies différentes, ce qui couvre la totalité des rapports de branchement de déexcitation de l'électron ($e^*$) et du neutrino ($\nu^*$) excités. Aucune preuve de la production de ces leptons excités de première génération n'a été observée. Des limites d'exclusions sur la section efficace de la production de leptons excités et sur le couplage $f/\Lambda$ en fonction de la masse des leptons excités sont déduites dans le cadre d'une production par interaction de gauge. Les limites obtenues dans ce cadre étendent les résultats de recherches menées précédement. <br /><br />Pour la première fois à HERA, la production possible de $e^*$ par interaction de contact a également été étudiée. Les deux modes conjoints de production par interaction de gauge et par interaction de contact, ainsi que l'interférence possible entre les deux processus, ont été considérés.

La collaboration européenne ANTARES construit un télescope sous-marin à neutrinos qui sera déployé en Méditerranée par 2500m de fond. Ce détecteur est constitué d'un réseau tridimensionnel de 900 photomultiplicateurs qui détectent la lumière Tcherenkov produite par le passage dans l'eau des muons provenant de l'interaction des neutrinos dans la Terre.<br />Les rayons cosmiques sont confinés dans la Galaxie et interagissent avec la matière interstellaire en produisant –entre autre– des pions chargés qui se désintègrent en neutrinos. L'observation du ciel à l'aide de ces neutrinos de haute énergie (>100 GeV) ouvre une nouvelle fenêtre sur la Galaxie et en particulier leur détection permettrait d'observer directement ses zones denses.<br /><br />Dans ce travail, les flux correspondant ont été calculés à l'aide d'un programme de simulation GALPROP, pour plusieurs modèles, contraints par diverses observations gamma et rayons cosmiques.<br />La sensibilité du détecteur Antares à ces modèles a été établie, ainsi qu'une première estimation des performances d'un futur télescope de taille kilométrique.<br />Un algorithme de reconnaissance de forme a également été développé : il permettrait de mettre en évidence les structures de la Galaxie dans le cas optimiste ou le nombre d'évènements détectés serait suffisant.<br /><br />Ces travaux démontrent qu'ANTARES est de taille insuffisante pour observer le plan galactique, et qu'un télescope à neutrinos de nouvelle génération ayant une surface effective au moins 40 fois plus grande sera nécessaire pour observer le modèle au spectre le plus dur et pour apporter des limites sur les autres modèles.

Après une introduction à ce mémoire d'habilitation au chapitre 1, je rappelle l'état des lieux de nos connaissances en physique du neutrino au chapitre 2.<br />Je détaille ensuite dans le chapitre 3 les choix effectués pour la conception et la réalisation du détecteur NEMO 3, consacré aux études des processus de double désintaégration bêta. Les performances complètes du détecteur sont aussi rappelées, tant en terme d'identification des fonds, que pour l'ensemble des processus bêta bêta, ainsi que les moyens utilisés par la collaboration pour réduire d'un facteur dix le bruit de fond dû à la présence de radon dans le détecteur, le rendant ainsi négligeable. Ce chapitre, correspondant au "Technical Report" de l'expérience NEMO 3, est écrit en anglais et forme un ensemble complet destiné aux collaborateurs de l'expérience NEMO.<br />Je termine ce mémoire avec le chapitre 4, par une prospective à dix ans sur les futurs projets expérimentaux en physique de la double désintégration bêta, en insistant d'une part sur le projet SuperNEMO et le programme de R&D à réaliser en France au cours des trois prochaines années, et d'autre part sur la comparaison avec les expériences qui me semblent les plus prometteuses, comme GERDA ou CUORE, avec notamment l'étude de l'effet ds éléments de matrice nucléaires sur la mesure de la masse effective du neutrino.

Le détecteur NEMO3 a été conçu pour l'étude de la double désintégration bêta et particulièrement pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrino ($0\nu\beta\beta$). La sensibilité attendue pour la désintégration $0\nu\beta\beta$ est, en terme de la demi-vie de l'ordre de $10^(25)$~ans, en terme de masse effective du neutrino cela correspond à une sensibilité (0,3 -- 0,1)~eV. Le processus $0\nu\beta\beta$ représente aujourd'hui le test de la nature Majorana du neutrino le plus prometteur. Le détecteur a été construit au Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) en France par la collaboration internationale (France, Russie, République Tchèque, États-Unis, Royaume-Uni, Finlande et Japon). La prise de donnée a commencé en mai 2002 et continue actuellement. La masse de $^(100)$Mo dans le détecteur (7~kg) permet une mise en évidence de la double désintégration bêta avec émission de deux neutrinos ($2\nu\beta\beta$) du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ (canal eeN$\gamma$). Les simulations Monte-Carlo de l'effet et de tous les types de bruit de fond ont été effectuées pour définir un ensemble des critères de sélection appropriés. D'autre part des runs avec des sources du $^(208)$Tl et du $^(214)$Bi ainsi que des simulations Monte-Carlo de ces données ont montré que le seul bruit de fond significatif dans le canal eeN$\gamma$ vient du radon qui avait pénétré à l'intérieur de la chambre à fils de NEMO3. Les données expérimentales acquises de mai 2002 à mai 2003 ont été analysées pour déterminer le signal dû à la désintégration $2\nu\beta\beta$ du $^(100)$Mo vers l'état excité $0^+_1$ et le niveau de bruit de fond correspondant. Le résultat est donné sous la forme d'un intervalle de valeurs de la demi-vie au niveau de 95\% de confiance. Cela correspond à une mise en évidence du processus au niveau de confience de quatre écarts standards.

Le détecteur NEMO3, installé dans le Laboratoire Souterrain de Modane, a pour but l'étude de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, processus dont l'observation permettrait d'affirmer que le neutrino est une particule massive de Majorana. Ce détecteur est composé de feuilles sources, très fines, centrales, d'émetteur double bêta, représentant un total de 10 kg, d'un détecteur de traces constitué de cellules de dérive fonctionnant en régime Geiger, d'un calorimètre formé de scintillateurs plastiques associés à des photomultiplicateurs, d'une bobine fournissant un champ magnétique de 30 gauss et de deux blindages permettant de réduire les flux de neutrons et de photons. Dans la première partie de cette thèse, je décris les liens unissant certains mécanismes s'inscrivant dans le cadre d'une violation trilinéaire de la R-parité à la double désintégration bêta. La seconde partie, expérimentale, est dédiée à l'étude détaillée du détecteur de traces de l'expérience : après avoir décrit les différents tests de fonctionnement, je présente la détermination des caractéristiques de la reconstruction des traces traversant le détecteur (résolutions transverse et longitudinale, par cellule Geiger et précisions sur la détermination du vertex, reconnaissance de la charge). Une dernière partie correspond à l'analyse des données acquises par l'expérience. Une limite supérieure sur l'activité des sources en 208Tl, l'une des principales sources de bruit de fond, a ainsi pu être déterminée : elle est inférieure à 68 mBq/kg à 90% de niveau de confiance. Par ailleurs, j'ai mis au point et testé sur les données une méthode d'analyse du signal de double désintégration bêta sans émission de neutrinos, basée sur un maximum de vraisemblance utilisant toute l'information disponible : cela m'a permis de déterminer une première limite supérieure, très préliminaire, sur la masse effective du neutrino.

Les modèles composites constituent une extension possible du modèle standard. L'une des conséquences de ces modèles, aux énergies actuellement accessibles dans les accélérateurs de particules, est l'excitation de leptons.<br> Cette thèse présente la recherche de leptons excités à l'aide du détecteur H1 installé sur le collisionneur électron-proton HERA à Hambourg en Allemagne. Les données utilisées sont celles accumulées entre 1994 et 2000, ce qui représente une luminosité intégrée de 120 pb-1. Les analyses effectuées concernent six topologies différentes ce qui couvre la totalité des rapporte de branchement de désexcitation de l'électron et du neutrino excité.<br> Les nombres de candidats trouvés lors de ces analyses est en accord avec les prédictions du modèle standard ce qui signifie qu'aucune preuve de la production de leptons excités n'a été observée à HERA. Ce résultat a été traduit sous la forme de limites d'exclusions sur le couplage des leptons excités (f/Lambda) en fonction de la masse du lepton excité. Pour la première fois à HERA nous avons étudié le cas où la largeur de désintégration naturelle d'un neutrino excité est supérieure à la résolution expérimentale. Pour la première fois aussi, une étude de la variation de la limite en fonction du rapport f'/f a été effectuée. Cette étude a mené à l'établissement d'une limite indépendante de ce rapport.<br> Les limites obtenues étendent les résultats obtenus précédemment à HERA ainsi que ceux des recherches directes au LEP.

<p>When modelling the collapse of massive stars leading to supernova explosions and the cooling of neutron stars, understanding the microphysical processes, such as the interaction of neutrinos within a dense medium are of vital importance. The interaction of neutrinos with nucleons (neutrons and protons) is altered by the presence of the medium, compared to the same process with free nucleons. Neutrino scattering and production processes may be characterized in terms of the excitations that are created or destroyed in the nuclear medium. One way to analyse the effects of the medium is by using Landau's theory of normal Fermi liquids. This theory gives simple relationships between physical quantities such as the spin susceptibility or the response to a weak interaction probe in terms of Landau parameters, that are measures of the interaction between quasiparticles. One problem when using Landau Fermi liquid theory for nucleon matter is that the interaction has a tensor component. The tensor interaction does not conserve the total spin and, as a consequence, there are generally contributions to long-wavelength response functions from states that have more than one quasiparticle-quasihole pair in the intermediate state. Such contributions cannot be calculated in terms of Landau parameters alone, since in the usual formulation of Landau theory, only singlepair excitations are considered. In this thesis three problems are addressed. First, we obtain bounds on the contributions from more than one quasiparticle-quasihole pair by using sum-rule arguments. Second, we derive expressions for static response functions allowing for the tensor components of the interaction. We analyse which the most important effects are on the static response of nucleon matter, and find that the major contributions comes from renormalization of coupling constants and transitions to states with more than one quasiparticle-quasihole pair. Third, we show how contributions to the dynamical response coming from states containing two quasiparticle-quasihole pairs may be evaluated in terms of Landau theory if one allows for the effect of collisions in the Landau kinetic equation. We consider the case of asymmetric nuclear matter, and our work goes beyond earlier works in that they contain the effects of collisions in addition to those of the mean field.</p>

<p>This thesis is based on work done in two different experimental projects. </p><p>The first project, the Tau RICH, is a previously proposed τ-neutrino appearance experiment for the CERN neutrino beam at the Gran Sasso laboratory in Italy. The proposed experimental concept is based on the use of focusing RICH detectors with liquid radiator (C₆F₁₄). Simulations made with a Geant4 code show that in the proposed experimental set-up, Cherenkov light from delta electrons will constitute a severe background that in practice would render the experiment unfeasible.</p><p>The second project, ATLAS, is a general purpose detector at the CERN 14 TeV proton-proton collider LHC which will start operation in 2007. To make the reconstruction and selection of the events in ATLAS more accurate, complete and up-to-date information on the interaction of the produced particles with the detector is needed. A service program code, the Material Integration Service (MIS), has been developed which makes use of the detector descriptions already available in a Geant4 code and which uses a novel algorithm, based on line integrals evaluated within small volume elements that build up the detector. This code is demonstrated to constitute a practically useful tool of satisfactory performance and accuracy.</p><p>The charged Higgs boson production in the gluon-bottom quark mode, gb → tH^±, followed by charged Higgs decays into a chargino and a neutralino, is studied for a specific choice of values for the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) parameters. It is shown, using a Monte Carlo code to simulate the ATLAS detector and the assumed MSSM physics model, that for an integrated luminosity of 300 fb^-1, in the intermediate region 4 < tanβ < 10 where H^± decays to SM particles cannot be used for H^± discovery, charged Higgs decays to non-SM particles can be used for Higgs discovery at the 5 σ significance level.</p>

When modelling the collapse of massive stars leading to supernova explosions and the cooling of neutron stars, understanding the microphysical processes, such as the interaction of neutrinos within a dense medium are of vital importance. The interaction of neutrinos with nucleons (neutrons and protons) is altered by the presence of the medium, compared to the same process with free nucleons. Neutrino scattering and production processes may be characterized in terms of the excitations that are created or destroyed in the nuclear medium. One way to analyse the effects of the medium is by using Landau's theory of normal Fermi liquids. This theory gives simple relationships between physical quantities such as the spin susceptibility or the response to a weak interaction probe in terms of Landau parameters, that are measures of the interaction between quasiparticles. One problem when using Landau Fermi liquid theory for nucleon matter is that the interaction has a tensor component. The tensor interaction does not conserve the total spin and, as a consequence, there are generally contributions to long-wavelength response functions from states that have more than one quasiparticle-quasihole pair in the intermediate state. Such contributions cannot be calculated in terms of Landau parameters alone, since in the usual formulation of Landau theory, only singlepair excitations are considered. In this thesis three problems are addressed. First, we obtain bounds on the contributions from more than one quasiparticle-quasihole pair by using sum-rule arguments. Second, we derive expressions for static response functions allowing for the tensor components of the interaction. We analyse which the most important effects are on the static response of nucleon matter, and find that the major contributions comes from renormalization of coupling constants and transitions to states with more than one quasiparticle-quasihole pair. Third, we show how contributions to the dynamical response coming from states containing two quasiparticle-quasihole pairs may be evaluated in terms of Landau theory if one allows for the effect of collisions in the Landau kinetic equation. We consider the case of asymmetric nuclear matter, and our work goes beyond earlier works in that they contain the effects of collisions in addition to those of the mean field.

This thesis is based on work done in two different experimental projects. The first project, the Tau RICH, is a previously proposed τ-neutrino appearance experiment for the CERN neutrino beam at the Gran Sasso laboratory in Italy. The proposed experimental concept is based on the use of focusing RICH detectors with liquid radiator (C6F14). Simulations made with a Geant4 code show that in the proposed experimental set-up, Cherenkov light from delta electrons will constitute a severe background that in practice would render the experiment unfeasible. The second project, ATLAS, is a general purpose detector at the CERN 14 TeV proton-proton collider LHC which will start operation in 2007. To make the reconstruction and selection of the events in ATLAS more accurate, complete and up-to-date information on the interaction of the produced particles with the detector is needed. A service program code, the Material Integration Service (MIS), has been developed which makes use of the detector descriptions already available in a Geant4 code and which uses a novel algorithm, based on line integrals evaluated within small volume elements that build up the detector. This code is demonstrated to constitute a practically useful tool of satisfactory performance and accuracy. The charged Higgs boson production in the gluon-bottom quark mode, gb → tH±, followed by charged Higgs decays into a chargino and a neutralino, is studied for a specific choice of values for the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) parameters. It is shown, using a Monte Carlo code to simulate the ATLAS detector and the assumed MSSM physics model, that for an integrated luminosity of 300 fb-1, in the intermediate region 4 &lt; tanβ &lt; 10 where H± decays to SM particles cannot be used for H± discovery, charged Higgs decays to non-SM particles can be used for Higgs discovery at the 5 σ significance level.