Neutrinooszillation, ein Phänomen, das den Neutrino-Flavour nach ihrer Ausbreitung durch den Weltraum verändern kann, ist ein Beweis für nicht-verschwindende Neutrinomassen und ein Hinweis auf eine neue Physik außerhalb des Standardmodells. Diese Arbeit präsentiert die erste Messung zu atmosphärischen Neutrinooszillationen, die sechs Jahre zwischen Mai 2011 und Mai 2017 des IceCube DeepCore Experiment umfasst. Sie erweitert die bisher verfügbare Ereignisauswahl um eine neue Ereignissignatur und einen großeren Energiebereich. Diese Arbeit beschreibt die Methoden, die für die Simulationen der Wechselwirkungen der Neutrinos, die Ereignisauswahl, die Rekonstruktion und die statistische Behandlung von Messdaten und systematischen Messunsicherheiten benutzt werden. Die beste Abschätzung für die Neutrino-Mischungsparameter ist $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ und $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.) und gehört zurzeit zu den präzisesten Messungen atmosphärischer Neutrinos. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Standard-Drei-Flavour-Modell überprüft, indem ein steriles Neutrino mit einer Masse in der Größenordnung von 1 eV eingeführt wird. Die Suche nach Effekten steriler Neutrinos auf atmosphärischen Neutrinooszillationen wird auf drei Jahren Daten, genommen zwischen Mai 2011 und Mai 2014, durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Standard-Modell der Drei-Neutrino-Oszillation überein, was zu den Obergrenzen für sterilen Neutrino-Mischungsparameter $|U_{\mu4}|^2<0.11$ und $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) für $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$ führt. Dieser Ergebnis ist derzeit die stringenste Obergrenze für $|U_{\tau4}|^2$. / Neutrino oscillations, a phenomenon that can change the flavour of neutrinos after their propagation through space, are a proof of non-zero neutrino masses and are an indication of new physics beyond the Standard Model. This work presents the first measurement of the atmospheric neutrino oscillations using six years of IceCube DeepCore data taken between May 2011 and May 2017. It extends the previously available event selection to include new event signatures and to use an extended energy range. This work discusses the techniques used for simulation of neutrino interactions, event selection, reconstruction, and the statistical treatment of data and systematic uncertainties. The best estimates for the neutrino mixing parameters are $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ and $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.), which are currently among the most precise measurements obtained with atmospheric neutrinos. In addition, this work tests the standard three-flavour paradigm by introducing one sterile neutrino with a mass on the order of 1~eV. The search for sterile neutrino effects in atmospheric neutrino oscillations is performed with three years of data taken between May 2011 and May 2014. The results are consistent with the standard three-neutrino oscillation picture, leading to limits on the allowed sterile neutrino mixing of $|U_{\mu4}|^2<0.11$ and $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) for $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$. Currently, the limit for $|U_{\tau4}|^2$ is the most stringent in the World.

Der Neutrinofluss der durch die Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund entsteht, produziert etwa 0.1 Ereignis/km^3 und Jahr. Um in wenigen Jahren eine ausreichende Anzahl an Ereignissen zu selektieren, muss ein Volumen von mindestens 100 km^3 instrumentiert werden. Die groessten aktuell im Bau befindlichen Detektoren, mit einem Volumen bis zu 1 km^3, benutzen optische Sensoren um das Licht zu detektieren, das durch die Neutrinowechselwirkungen produziert wird. Aus Kostengruenden ist es nicht moeglich mit dieser Technologie 100 mal groessere Detektoren zu bauen. Eine Alternative besteht darin, die durch den bei der Neutrinowechselwirkung entstehenden Teilchenschauer hervorgerufenen akustischen Signale und Radiosignale oder deren Kombination nachzuweisen. Eis ist dafuer ein vielversprechenden Medium, weil es die Moeglichkeit bietet alle drei Signal (optisch, akustisch, radio) nachzuweisen. Eine Grundvoraussetzung fuer die Entwicklung eines solchen Detektors ist die Bestimmung der akustischen Eigenschaften des Eises am Suedpol. Das South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) wurde mit dem Ziel gebaut, den Rauschuntergrund, die tiefenabhaengige Schallgeschwindigkeit, die Untergrundereignisrate und die Schall-Abklinglaenge zu messen. Der Detektor besteht aus 4 Trossen, bestueckt mit akustischen Sensoren und Transmittern, die in Tiefen zwischen 80 und 500 m im Eis am Suedpol installiert wurden. Zusaetzlich wurde ein Transmitter (Pinger) entwickelt, der in mehreren wassergefuellten Bohrloechern zum Einsatz kam. Nach drei Jahren ist guter Fortschritt bei der Messung aller beschrieben Groessen erzielt worden. Insbesondere haben es der kombinierte Einsatz von SPATS und des Pingers ermoeglicht, die erste in situ Messung der Abklinglaenge zu 312+68-47 m vorzunehmen. In dieser Arbeit werden die Entwicklung der Hardware, die Analyse und die Resultate dieser Messung vorgestellt. / The neutrino flux generated by the interaction of high energy cosmic rays with the cosmic microwave background is predicted to produce about 0.1 event per km^3 per year. The detection of a sufficient number of events in a few years requires to instrument a volume of at least 100 km^3. The biggest detectors nowadays in construction, covering a volume of about 1 km^3, utilize optical sensors to detect the light produced by neutrino interactions; to extend this instrumentation method by the two necessary orders of magnitude is cost-prohibitive. An alternative is to use the radio or the acoustic signal generated by the neutrino-induced particle cascade, or even better, to use both of them in a hybrid detector. Ice is a promising medium since in principle all three signals can be detected simultaneously. The growing optical experiment IceCube, located at the geographic South Pole, could be complemented with radio and acoustic sensors. A pre-requisite to do so is to measure the acoustic properties of South Pole ice. The South Pole Acoustic Test Setup (SPATS) has been designed to measure background noise, sound speed profile, transient events rate and acoustic attenuation length at that location. The system is comprised of four strings of acoustic sensors and transmitters which are installed at depths between 80 and 500 m. In addition, a retrievable transmitter (called pinger) has been developed and used in several water-filled holes. After almost three years of operation, good progress has been achieved for all the goals. In particular, the attenuation length, one of the most important parameters for determining neutrino detection feasibility, and for which only theoretical estimates were available previously, has now been measured in situ with high confidence to be 312+68-47 m. In this work the hardware developed and the analysis performed to achieve this measurement are presented together with the final result.

High precision measurements of a weak interaction decay were conducted to search for possible variation of the decay rate parameter caused by an antineutrino flux. The experiment searched for variation of the ⁵⁴Mn electron capture decay rate parameter to a level of precision of 1 part in ∼10⁵ by comparing the difference between the decay rate in the presence of an antineutrino flux ∼3×10¹² cm^-2sec^-1 and no flux measurements. The experiment is located 6.5 meters from the reactor core of the High Flux Isotope Reactor (HFIR) in Oak Ridge National Laboratory. A measurement to this level of precision requires a detailed understanding of both systematic and statistical errors. Otherwise, systematic errors in the measurement may mimic fundamental interactions. <div><br></div><div>The gamma spectrum has been collected from the electron capture decay of ⁵⁴Mn. What differs in this experiment compared to previous experiments are, (1) a strong, uniform, highly controlled, and repeatable source of antineutrino flux, using a reactor, nearly 50 times higher than the solar neutrino flux on the Earth, (2) the variation of the antineutrino flux from HFIR is 600 times higher than the variation in the solar neutrino flux on the Earth, (3) the extensive use of neutron and gamma-ray shielding around the detectors, (4) a controlled environment for the detector including a fixed temperature, a nitrogen atmosphere, and stable power supplies, (5) the use of precision High Purity Germanium (HPGe) detectors and finally, (6) accurate time stamping of all experimental runs. By using accurate detector energy calibrations, electronic dead time corrections, background corrections, and pile-up corrections, the measured variation in the ⁵⁴Mn decay rate parameter is found to be δλ/λ=(0.034±1.38)×10^-5. This measurement in the presence of the HFIR flux is equivalent to a cross-section of σ=(0.097±1.24)×10^-25cm². These results are consistent with no measurable decay rate parameter variation due to an antineutrino flux, yielding a 68% confidence level upper limit sensitivity in δλ/λ <= 1.43×10^-5 or σ<=1.34×10^-25cm² in cross-section. The cross-section upper limit obtained in this null or no observable effect experiment is ∼10⁴ times more sensitive than past experiments reporting positive results in ⁵⁴Mn.</div>

Cette thèse illustre les nombreuses possibilités permettant de relier les perturbations cosmologiques aux modèles théoriques décrivant l'univers. Aujourd'hui, nous observons ces perturbations cosmologiques sous des formes diverses. Les observations considérées dans cette thèse sont les anisotropies du rayonnement de fond cosmologique (CMB) et la distribution de matière dans l'univers (galaxies et amas de galaxies).<br /><br />Si à un temps initial, l'univers consistait en un plasma homogène et isotrope de matière et de rayonnement, il serait toujours homogène et isotrope aujourd'hui. Les perturbations cosmologiques n'existeraient pas. Cependant, nous les observons. Le mécanisme de génération des perturbations considéré comme le plus plausible est le paradigme de l'inflation. Nous introduisons de nouveaux outils pour tester l'inflation. Nous sommes allés au-delà des approximations analytiques, et avons obtenu les contraintes sur le potentiel de l'inflaton les plus robustes publiées a ce jour.<br /><br />Une fois les perturbations cosmologiques engendrées, elles continuent d'évoluer. Le CMB porte l'emprunte de ces perturbations telles qu'elles étaient au moment du découplage des photons. Par la suite, les photons ont voyagé librement à travers l'univers, en interagissant encore gravitationnellement avec les fluctuations de matière qu'ils traversaient. Nous avons montré que cet effet secondaire peut être utilisé pour améliorer les contraintes sur la masse totale des neutrinos. Nous avons aussi montré qu'il est à l'origine de plusieurs problèmes pour une classe de modèles cosmologiques dans lesquels les inhomogénéités de l'univers pourraient expliquer l'accélération apparente de son expansion: le modèle d'univers à bulles (swiss-cheese universe). Dans cette thèse, l'univers à bulle - tel qu'il a été définit dans la littérature - est infirmé. <br /><br />Les perturbations cosmologiques sont une source très riche d'informations sur l'évolution physique de notre univers.

OPERA (Gran-Sasso, Italie) est une expérience neutrino sur longue distance dédiée à la détection de neutrinos tau apparaissant dans un faisceau pur de neutrinos muon produit au CERN (730 km plus loin), ceci dans le but d'observer l'oscillation numu->nutau.<br />L'expérience exploite une technologie mixte de détecteurs électroniques et de blocs cibles composés en alternance, de plaques de plomb et d'émulsions nucléaires dans le but de signer efficacement la présence d'interaction du nutau. Les excellentes caractéristiques de résolutions angulaire et spatiale des émulsions sont des éléments fondamentaux pour l'expérience OPERA. Le travail de thèse a d'abord consisté à développer des outils d'analyse permettant la détermination d'impulsion des particules chargées par diffusion coulombienne multiple dans les cibles, ainsi qu'à mettre au point une méthode de reconstruction des vertex d'interaction pour les événements neutrino à vertex multiples. De cette manière il a été possible de <br />développer une analyse multivariable permettant de discriminer les événements charmés des événements tau dans le but d'exploiter le canal de désintégration du tau en trois hadrons chargés avec le détecteur OPERA. Ces outils ont été ensuite testés sur les événements d'interactions neutrinos observées tout d'abord avec un test en faisceau PEANUT, puis avec les premiers événements d'OPERA accumulés lors du fonctionnement du faisceau CNGS en 2007. La première analyse combinée de ces événements a montré une bonne compréhension des méthodes d'analyse et du fonctionnement du détecteur OPERA.

NIL

La physique du neutrino a connu de grandes avancées avec la mise en évidence des oscillations (neutrinos solaires et atmosphériques). Pour étudier en détail la phénoménologie de ces neutrinos massifs, de nouvelles machines -les usines à neutrinos seront nécessaires, dont la conception dépend de certains développements ou expériences préalables.<br> L'expérience HARP se situe dans ce cadre et cherche à mesurer de façon détaillée et précise les sections efficaces de production hadronique (en particulier les pions) dans les interactions proton-noyau pour de faibles impulsions incidentes (2 à 15 GeV/c).<br> L'ensemble expérimental vise à une acceptance de 4Pi et cette thèse s'est intéressée au spectromètre vers l'avant et plus précisément aux chambres à dérive qui permettent la reconstruction des trajectoires des particules chargées les plus rapides. La simulation complète de leur fonctionnement, nécessaire aux calculs d'acceptance et aux développement des programmes de reconstruction, est présentée ici dans le cadre général de GEANT 4, adapté par la collaboration. Le problème délicat de l'alignement des chambres est traité ensuite, avant d'extraire une première évaluation de leurs performances : efficacité par plan et efficacité de reconstruction. Les développements sur le programme de reconstruction global permettront ensuite une analyse physique des données de HARP.

L'observatoire Pierre Auger se propose de recueillir une statistique sans précédent concernant le spectre des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Les quelques données actuelles suggèrent une absence de coupure GZK, coupure liée à la distance d'atténuation des protons dans un milieu de propagation tel que le rayonnement fossile à 3K.<br> Après avoir étudié l'effet des champs magnétiques extragalactiques sur la propagation des rayons cosmiques et l'influence sur le spectre, une grande partie du chapitre consacré à la description de l'expérience Auger sera laissée au système d'acquisition des données.<br> L'étude des gerbes atmosphériques initiées dans la haute atmosphère sous incidence rasante est riche d'enseignements concernant la possibilité de détection de neutrinos. Une procédure de reconstruction de l'énergie des gerbes rasantes hadroniques est formalisée et appliquée aux événements du prototype dans le chapitre 4, et le calcul de la sensibilité aux neutrinos du détecteur complet est donné dans le chapitre 5.<br> Enfin, l'analyse des données de l'année 2002 du réseau prototype de l'expérience Auger est l'objet du chapitre 6.

Deux problématiques de la cosmologie sont abordées : la matière noire et l'asymétrie baryonique de l'Univers. Dans le cadre du MSSM, le neutralino est le meilleur candidat à la matière noire froide. Le potentiel de détection indirecte du neutralino par Antares et les télescopes à neutrinos est étudié dans les modèles de Grande Unification et comparé avec les expériences de détection directe. La détection de neutrinos issus de l'annihilation de neutralinos au centre de la Terre dans ces modèles s'avère hors de portée. Dans le cas universel, les modèles où le neutralino comporte une composante higgsino dominante sont très interessants pour les flux en provenance du Soleil. En relachant les relations d'universalité dans le secteur des jauginos, notamment en diminuant M3_GUT , on obtient des régions de densités reliques intéressantes bien plus vastes que dans le cas universel et une forte augmentation des taux de détection de plusieurs ordres de grandeur. Concernant le calcul de l'asymétrie baryonique, la leptogénèse par désintégration de neutrinos droits lourds de Majorana est créditée de fortes potentialités. Ces neutrinos droits sont aussi, par le mécanisme de see-saw, le moyen le plus séduisant pour rendre compte des masses des neutrinos. Nous avons fixé le secteur de Dirac des neutrinos à celui des quarks up par les relations simples inspirées du groupe de Grande Unification SO(10). Nous avons alors mis en évidence l'importance du paramètre le moins contraint expérimentalement Ue3 pour maximiser l'asymétrie. Malgré cet ajustement, il n'est pas possible dans ce modèle de faire concorder les données expérimentales des oscillations avec l'asymétrie baryonique requise par la nucléosynthèse primordiale.

Les neutrinos cosmiques de haute énergie (> 100 GeV) offrent l'opportunité d'ouvrir une nouvelle fenêtre sur l'Univers et d'apporter des indications pour résoudre certaines énigmes de la Physique des Particules et de l'Astrophysique. Leur observation nécessite la conception d'un nouveau type de détecteur. Nous avons optimisé et caractérisé les performances que l'on peut attendre d'un télescope sous-marin à neutrinos de première génération composé de mille photomultiplicateurs. L'effet systématique des principales hypothèses effectuées dans les simulations est discuté. La surface effective du détecteur atteint 10 000 m2 à 100 GeV et dépasse 0.1 km2 au-delà de 100 Tev. Il possède une précision angulaire comprise entre 0.2° et 0.3° selon les erreurs d'alignement temporel commises et une résolution sur l'énergie d'un facteur 2 à 3. Le taux de bruit de fond induit par les muons atmosphériques est au plus du même ordre de grandeur que celui dû aux neutrinos atmosphériques. Son évaluation reste limitée par la statistique de simulation. Ces résultats soulignent qu'un télescope sous-marin à neutrinos possède de grandes potentialités de découverte et devrait ouvrir une nouvelle ère de l'astronomie.