Le travail présenté dans cette thèse porte sur la recherche de neutrino stérile à l'aide de désintégrations β dans les expériences SOX et TRISTAN. Le neutrino stérile est une particule hypothétique, solidement établi théoriquement, qui ne prendrait part à aucune interaction fondamentale, gravité mise à part. Étant entendu que le neutrino stérile se mélange avec les neutrinos actifs connus, l'existence de ces premiers peut être étudiée directement en laboratoire. L'expérience SOX a été conçue pour explorer l'existence d'un neutrino stérile d'une masse autour de l'électronvolt (eV). Un neutrino stérile avec une telle masse permettrait d'expliquer plusieurs anomalies observées à courte distance de sources (quelques mètres) lors de mesures d'oscillations de neutrinos de basses énergies (quelques MeV). SOX avait pour projet d'utiliser le détecteur de neutrinos solaire déjà existant Borexino, et d'observer un signal d'oscillation vers le stérile à l'intérieur même du volume actif du détecteur. La source radioactive de 5.5 PBq et positionnée à 8.5 m du centre du détecteur, émettrait des antineutrinos électroniques via la désintégration β du ¹⁴⁴Ce et du ¹⁴⁴Pr. Une des clés de l'observation de cette oscillation, est la connaissance précise de l'activité de la source. Une telle activité peut être déterminée en mesurant la chaleur dégagée par la source. C'est la raison pour laquelle l'INFN Genova et la TUM ont développé conjointement un calorimètre dédié. La chaleur dégagée par la radioactivité est alors captée par un échangeur puis transmise à un circuit d'eau étroitement contrôlé. Le calorimètre a été assemblé, optimisé puis étalonné avec succès. La perte de chaleur du circuit fut déterminée lors des mesures d'étalonnage grâce à un chauffage électrique. Des variations des conditions expérimentales et une isolation thermique sophistiquée ont permis d'opérer avec des pertes de chaleur négligeables. Il a ainsi été démontré que la puissance thermique de la source pouvait être estimée, en 5 jours seulement, avec une précision supérieure à 0,2%. Malheureusement, le programme SOX a dû être annulé. Le projet TRISTAN, quant à lui, tend à démontrer l'existence d'un neutrino stérile avec une masse de l'ordre du kilo-électronvolt (keV). Si le neutrino stérile à l'eV tente d'apporter une réponse aux différentes anomalies observées lors de mesures d'oscillation, le neutrino stérile au keV, en tant que potentiel candidat matière noire. Le projet TRISTAN cherche à mesurer l'empreinte de ce nouvel état de masse sur le spectre du tritium dans le cadre de l'expérience KATRIN. Cette dernière vise à déterminer la masse effective du neutrino (actif) en mesurant l'extrémité du spectre de tritium avec une excellente résolution et un faible taux de comptage. Une fois la mesure achevée, le détecteur de KATRIN sera modifié afin d'effectuer une mesure différentielle et intégrale de l'ensemble du spectre en tritium: c'est le projet TRISTAN. Le détecteur actuel sera remplacé par un nouveau détecteur de silicium à dérive (SDD) de 3500 pixels permettant une résolution de 3% à 6 keV et pouvant supporter un taux de comptage montant jusqu'à 10⁸ coups par seconde, activité maximum attendue. Un prototype a été testé avec succès et une première mesure de tritium a été réalisé au spectromètre de masse neutrino Troitsk afin d'étudier les erreurs systématiques et de développer des méthodes d'analyses pertinentes. Un premier ajustement cohérent du spectre tritium différentiel acquis lors de cette installation, a démontré la faisabilité du projet. TRISTAN lui-même est toujours en cours de développement mais les caractérisations du détecteur et les études de systématiques sont plus qu'encourageantes pour la poursuite du projet. La première investigation de neutrino stérile avec le détecteur de TRISTAN sur le site de KATRIN est prévue après la mesure de masse, en cours à Karlsruhe, aux alentours de 2024. / The work presented in this thesis is about the sterile neutrino search with the two experiments SOX and TRISTAN based on the β-decay. Sterile neutrinos are theoretically well motivated particles that do not participate in any fundamental interaction except for the gravitation. With the help of these particles one could elegantly explain the origin of the neutrino mass, dark matter and the matter-antimatter asymmetry in the universe. As sterile neutrinos can mix with the known active neutrinos, they could be discovered in laboratory searches. The SOX experiment was designed to search for a sterile neutrino with a mass in the eV-range. This particular mass range is motivated by several anomalous observations at short-baseline neutrino experiments that could be explained by an additional oscillation with a length in the order of meters that arises from an eV-scale sterile neutrino. For SOX it was planned to use the existing Borexino solar neutrino detector to search for an oscillation signal within the detector volume. The neutrinos are emitted from a 5.5 PBq electron-antineutrino source made of the β-decaying isotopes ¹⁴⁴Ce and ¹⁴⁴Pr, located at 8.5 m distance from the detector center. For the analysis of the signal it is crucial to know the source activity. This parameter is determined by measuring the decay heat of the source with a thermal calorimeter that was developed by TUM and INFN Genova. The decay heat is measured through the temperature increase of a well-defined water flow in a heat exchanger that surrounds the source. The calorimeter was assembled, optimized and characterized. Heat losses were determined through calibration measurements with an electrical heat source. Adjustable measurement conditions and an elaborate thermal insulation allowed an operation with negligible heat losses. It was proven that the power of a decaying source can be measured with <0.2% uncertainty in a single measurement that lasts ~5 days. Unfortunately the SOX experiment was canceled after a technological problem rendered the source production with the required activity and purity impossible. The TRISTAN project is an attempt to discover sterile neutrinos with masses in the order of keV. In contrast to eV-scale sterile neutrinos that are motivated by several anomalies observed in terrestrial experiments, the existence of sterile neutrinos with masses in the keV range could resolve cosmological and astrophysical issues, as they are dark matter candidates. The TRISTAN project is an extension of the KATRIN experiment to search for the signature of keV-scale sterile neutrinos in the tritium β-spectrum. KATRIN itself is attempting to determine the effective neutrino mass by measuring the end point of the tritium spectrum at low counting rates. The KATRIN setup will be modified after the neutrino mass measurements are finished to conduct a differential and integral measurement of the entire tritium spectrum. This project is called TRISTAN. The current detector will be replaced by a novel 3500-pixel silicon drift detector system that has an outstanding energy resolution of a few hundred eV and can handle rates up to 10⁸ counts per second as they occur when the entire spectrum is scanned. Prototype detectors were successfully tested and first tritium data was taken at the Troitsk ν-mass spectrometer to study systematic effects and develop analysis methods. A successful fit of the differential tritium spectrum proved the feasibility of this approach. TRISTAN itself is still at an early stage, but the detector development and systematic studies are well on track and delivered so far encouraging results. The sterile neutrino search is scheduled after the KATRIN neutrino mass program is finished in ~2024.

Le détecteur Borexino, situé au laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), mesure les neutrinos solaires depuis 10 ans. Parmi les neutrinos solaires, le spectre continu du 8B jusqu’à 17 MeV permet de tester la zone de transition de l’effet de résonance dans la matière dit effet MSW. Cette nouvelle analyse augmente d’un ordre de grandeur la statistique par rapport à la précédente mesure de Borexino publiée en 2011. Pour ce faire, l’ensemble du volume scintillant a été inclus dans l’analyse, aucune coupure géométrique n’ayant été effectué au dessus de 5 MeV. Cela a permis l’identification d’un nouveau bruit de fond non pris en compte précédemment. L’ensemble des bruits de fond au dessus de 3 MeV est maintenant compris et la composante neutrino peut-être extraite d’un fit radial du détecteur. Afin de tester l’existence d’un neutrino stérile léger, une source de 3-5,5 PBq de 144Ce sera installée sous Borexino au début de l’année 2018 pour un an et demi de prise de données : c’est l’expérience CeSOX. Cette source est produite par PA MAYAK par purification de combustible nucléaire usagé, par conséquent les potentiels contaminants radioactifs sont très nombreux et peu contraints. Pour tester l’hypothèse stérile, une mesure en flux, une mesure en forme et une mesure combinée seront effectuées dans l’ensemble du détecteur Borexino. Ces mesures sont fortement dépendantes de la connaissance intime de la source (composition, forme du spectre beta du 144Ce, énergie moyenne 144Ce et 144Pr). A cette fin, un spectromètre gamma a été spécifiquement étalonné et entièrement simulé au CEA, Saclay. De même un spectromètre beta a été dessiné, assemblé, simulé et est en cours d’étalonnage. Finalement, des mesures de spectrométrie alpha et de masse seront réalisés sur des échantillons représentatifs envoyés au CEA, Saclay afin de contraindre au mieux la composition de la source de 144Ce de SOX. / Located in the Gran Sasso underground laboratory (LNGS), Borexino measures solar neutrinos for 10 years. Among solar neutrinos, 8B continuous spectrum (up to 17 MeV) enables to test the transition zone between vacuum and matter regime of the MSW effect. This new measurement increases by one order of magnitude the exposure with respect to previous Borexino publication. To do so, the entire active volume is considered in this analysis above 5 MeV. A new background has been identified and a radial fit is done above 3 and 5 MeV enabling to extract the neutrino component. Existence of a light sterile neutrino would have important consequences on astrophysics and cosmology. SOX is the only experiment aiming at testing this hypothesis using a punctual radioactive source. A 3-5.5 PBq 144Ce source is actually under production and will be positioned under Borexino in 2018. Precise knowledge of the source is one of the main challenge of this experiment, based on rate and shape neutrino measurement. Two critical parameters are the heat released by the source for activity measurement and the expected neutrino spectrum in the detector. We first describe the SOX experiment insisting on 144Ce source production. Then, we focus on Saclay installations dedicated to constrain radioactive contamination inside the source using representative samples. Alpha, gamma and mass spectroscopy calibration and simulation are discussed and competitive constrains are derived. A status on 144Ce beta shape measurements is done as well as presentation of future measurement.

La réévaluation théorique du flux d'antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires a révélé un déficit de 6% entre le flux observé et le flux attendu. Cette anomalie des antineutrinos de réacteur est significative à 2.7 σ, et une possible interprétation de ce résultat est l'existence d'un état stérile léger du neutrino vers lequel les neutrinos pourraient osciller à très courte distance. Le projet STEREO présenté dans ce manuscrit a pour objectif de prouver ou d'infirmer l'existence d'une telle oscillation.L'expérience est installée près (~10 m) du cœur compact du réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, France, qui produit un important flux d'antineutrinos électroniques avec une énergie comprise entre 1 et 10 MeV. Le volume utile du détecteur STEREO consiste en une structure de 2 m3 segmentée en six cellules identiques remplies de scintillateur liquide dopé au gadolinium et alignées dans la direction du cœur. La détection s'effectue à l'aide de la réaction beta-inverse.Cette configuration offre une excellente sensibilité à une éventuelle oscillation à courte distance en mesurant la distorsion relative du spectre des antineutrinos dans chaque cellule en fonction de l'énergie et de la distance.Les lignes expérimentales de faisceaux de neutrons de l'ILL produisent un fort bruit de fond qui a été caractérisé à l'occasion de plusieurs campagnes de mesure. Leur analyse a permis de valider le design des lourds blindages passifs installés autour du détecteur et de la zone d'installation pour modérer leurs effets sur l’expérience STEREO.De plus, un détecteur supplémentaire est installé au-dessus de STEREO pour signaler la présence d'un muon issu du rayonnement cosmique et définir un veto aux mesures physiques. Ces muons, lors de leur passage à travers les blindages du détecteur, peuvent produire des neutrons rapides capables d’imiter le signal attendu par les antineutrinos. Il est donc essentiel de définir un veto qui soit le plus efficace et homogène possible.Il prend la forme d'une cuve de 2.5 m3 remplie d'eau dont la détection est basée sur l’effet Tcherenkov. Cette lumière émise par le passage des muons est récoltée sur 20 tubes photomultiplicateurs répartis au-dessus de la cuve et un additif est rajouté dans l'eau pour améliorer la collection de lumière sur les photomultiplicateurs.Ce veto à muons couvre complètement le détecteur STEREO ainsi que ces blindagesL'étude de plusieurs configurations de ce veto à muons sous la forme de prototypes avant la construction de l'instrument final a permis de définir une méthode de déclenchement du signal pour les muons extrêmement efficace tout en conservant une sensibilité réduite aux autres particules. Ces nombreux tests ont par ailleurs permis la validation et l'optimisation de l'électronique développée pour l'expérience au LPSC qui est la même pour le détecteur STEREO et pour le veto à muons.Après avoir caractérisé le flux de muons sur place et l'efficacité du veto à muons, une simulation a été développée et a permis d'évaluer le nombre de faux événements dus à ces neutrons. Ainsi, ce résultat a confirmé les prérequis scientifiques de l'expérience, à savoir la capacité à sonder l'anomalie des antineutrinos de réacteur en 300 jours de données réacteur.Le détecteur est actuellement en place sur site et prévoit de livrer ses premiers résultats fin 2016. / The re-evaluation of the theoretical antineutrino flux emitted by nuclear reactors revealed a deficit of about 6% between the observed flux and the expected one. This so-called reactor antineutrino anomaly has a statistical significance of 2.7σ, and one possible explanation to this deficit could be the existence of a light sterile neutrino state into which reactor antineutrino oscillate at very short distances. The STEREO project, which will be presented in this thesis, aims to find an evidence of such oscillation.The measurement will take place at only few meters (~10 m) from the compact core of the Institut Laue-Langevin (ILL) research reactor in Grenoble, France, which provides a large flux of electron antineutrinos with an energy range from 1 to 10 MeV. The sensitive volume of the STEREO detector is 2m3 of organic liquid scintillator doped with Gadolinium, consisting of 6 cells stacked along the direction of the core and detecting anti-neutrinos via inverse beta decay.This setup will provide excellent sensitivity to short-baseline oscillations effects by precisely measuring any relative distortion of the antineutrino spectrum as a function of both energy and baseline.Close proximity to the reactor yield a high background environment from nearby experiments that is managed through heavy shielding surrounding the detector. Many measurements campaign has been performed to characterized this background and had allowed the improvement of the passive shielding design installed on-site.Moreover, an additional detector is settled above STEREO to tag the presence of an incoming cosmic muon and define a muon veto. These muons will produce fast neutrons during their interaction through the shieldings of STEREO and these neutrons can mimick the expected antineutrino signal. Therefore it is crucial to define the most efficient and homogenous veto to these muons.It consists of a tank of 2.5m3 of water detecting muons by their Cerenkov radiation. The light emitted is collected thanks to 20 photomultipliers positionned at the top of the tank and a chemical compound is added into the water to improve the light collection on the photomultipliers.This muon veto fully covers the STEREO detector along with its shieldings.Several configurations of the muon veto system using prototypes before the final instrumental has allowed to define a trigger system which allows an excellent efficiency to cosmic muons regarding a little sensitivity to others particles. These numerous tests were also used to check and optimize the dedicated electronics builded at LPSC, which is the same for both the STEREO detector and muon veto.After characterization of the muon flux on site and with respect to the muon veto efficiency, a simulation has been developped to evaluate the rate of fake antineutrino event expected from the muon-induced fast neutrons. Thus, this result has confirmed the scientific requirements of the experience, which is the ability to probe the reactor antineutrino anomaly in 300 days of reactor data.STEREO is at the moment being comissionned and will deliver his first results at the end of 2016.

La recherche de neutrinos stériles et légers est, à l’heure actuelle, l’un des enjeux majeurs de laphysique des neutrinos. Une indication de leur existence résulte de l’anomalie des antineutrinosde réacteur, qui découle du déficit de 6% entre les taux prédits et les taux observéspar les expériences à courte distance de réacteurs. Ce déficit peut être interprété comme uneoscillation à courte distance des neutrinos. L’objectif de l’expérience STEREO, situé auprès duréacteur de recherche de l’Institut Laue Langevin (ILL), à Grenoble, France, est d’étudier cetteoscillation. La cible du détecteur de neutrinos est placée entre 8,9 et 11,1m du coeur compactdu réacteur d’ILL. Le détecteur consiste d’environ 2t d’un scintillateur liquide, dopé avec duGd. Le volume actif est séparé dans le sens de la longueur en six cellules. Les antineutrinos sontdétectés par la désintégration bêta inverse, où ils interagissent avec un proton libre (ion H+) etproduisent un positron et un neutron. Les deux particules sont détectées dans le scintillateurpar une coïncidence retardée où le positron crée un signal prompt et le neutron est capturéaprès un temps de modération. La lumière produite par le scintillateur est mesurée par lesphotomultiplicateurs (PM). Le détecteur est complété par un“gamma catcher” qui entoure la cible et par un veto à muons.Ce manuscrit présente des études concernant la préparation et la mise en exploitation del’expérience STEREO. La conception du blindage magnétique des PM a été menée sur la basede simulations par éléments finis afin d’examiner différentes options, d’étudier en détail lesperformances de l’option retenue ainsi que de déterminer la qualité nécessaire des matériauxutilisés. Sur la base de ces études, la collaboration a retenu un plan de blindage en deuxcouches: une couche de fer doux à l’extérieur, couvrant le détecteur et le veto à muons, et unecouche de mu-métal autour de la cible. Ce blindage réduit les champs magnétiques externes à laposition des PM de la cible à moins de 60μT pour toutes les configurations connues de champsexternes. Ceci réduit à moins de 2% une variation de l’amplification des PM induite par deschangements des champs magnétiques.D’autre part, des études du bruit de fond sur le site de STEREO ont été menées. Unecartographie du bruit de fond du rayonnement gamma a été effectuée avec des détecteurs augermanium et un scintillateur NaI, afin de valider l’efficacité du blindage installé. Uneestimation du taux de bruit de fond est présentée et comparée au taux mesuré avec STEREO.Dans l’état actuel de l’analyse des données, le bruit de fond de coïncidences fortuites est inférieurau bruit de fond corrélé induit par les muons cosmiques. Après une première phase d’exploitationde STEREO, un “doigt de gant” en fin de vie situé à l’avant de STEREO a dû être retiré.Un bouchon était adapté à l’extrémité de ce doigt de gant afin de réduire le bruit du fondpour STEREO. Ce dispositif n’ayant pas pu être réinstallé à la suite l’enlèvement du doigt degant, un nouveau blindage a été proposé par l’ILL. Une série des simulations neutroniques etphotoniques (MCNP) a été effectué pour étudier l’effet de ce changement sur le bruit de fondautour de STEREO et pour décider si le blindage proposé était suffisant. Les deux scénariosavant et après l’enlèvement ont été comparés et selon cette simulation, la situation du bruit defond devrait être améliorée.Enfin une procédure a été proposée et appliquée pour analyser les données de calibration del’échelle d’énergie de STEREO. La procédure a été élaborée pour être applicable pour toutes lessources de calibration disponibles et pour minimiser les incertitudes systématiques. Le résultatpeut être utilisé pour ajuster les paramètres de la simulation Geant4 du détecteur développée parla collaboration, par comparaison avec des données mesurées et après pour déterminer l’échellede l’énergie avec la précision requise de < 2%. / Light sterile neutrinos are currently a topic actively discussed in neutrino physics. Oneindication of their possible existence and their participation in neutrino oscillations is the ReactorAntineutrino Anomaly, which states a deficit of about 6% between predicted and observedantineutrino fluxes in short baseline reactor neutrino experiments. The STEREO experimentaddresses this anomaly by searching for neutrino oscillations at baselines of 8.9-11.1m from thecompact core of the research reactor of the Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble, France. Forthis purpose a Gd-loaded liquid scintillator detector was designed with an active target massof about 2 t. The target volume is subdivided in six optically separated cells along the line ofpropagation of the neutrinos. The electron antineutrinos emitted from the reactor are detectedvia the inverse beta decay on hydrogen nuclei, where a positron and a neutron are created. Thesetwo particles are detected in the scintillator in delayed coincidence, with the prompt signal fromthe positron and a delayed signal from neutron capture. The scintillation light created in theprocesses is read out by photomultiplier tubes (PMTs) on top of the detector cells. The detectoris completed by a gamma catcher and a muon veto.This manuscript covers parts of the preparation and the commissioning of the STEREOexperiment. As basis for the design process of the magnetic shielding for STEREO’s PMTsa series of finite element simulations was performed. The studies of different general layoutsand required material qualities as well as of details of the final design are summarised. Underconsideration of these studies the collaboration opted for a shielding design, a double layer setupwith an outer soft iron and inner mumetal layer, which has the required shielding efficiency toreduce the magnetic field at the position of the detector PMTs below 60 μT for all known externalmagnetic field configurations. This limits the maximum PMT gain change due to variations ofthe external magnetic fields to < 2%.Furthermore different studies have been performed concerning the on-site background situation.A mapping of the-ray background was conducted with high purity germanium detectorsand a NaI scintillator detector, in order to validate the efficiency of the installed shielding. Thefocus lied on the characterisation of the count rate in the neutron capture energy window. Anestimation of the background rate is presented and compared to the rate obtained in STEREO.At the current state of the analysis the background of accidental coincidences in STEREO is aminor contribution compared to the muon induced correlated background. In addition a seriesof MCNP simulations was performed to determine the impact of a beamtube removal in thevicinity of STEREO on the overall reactor-related background situation. The beamtube wasclosed by a dedicated shielding, optimised for background reduction for STEREO, which couldnot be reinstalled after removal of the tube. A new shielding at the end of the former beamtubewas proposed by the ILL. Its shielding effect was studied with MCNP and compared tothe previous configuration in order to assess whether the new shielding suffices or needs to beimproved. According to these simulations the background situation is expected to improve.Finally a procedure is proposed and applied for the analysis of the energy calibration ofthe STEREO detector. The procedure is designed to be applicable to all available calibrationsources and to minimise systematic uncertainties. It can be used to adjust parameters in theexisting Geant4-based simulation of the detector, developed by the collaboration, by comparisonto measured data and later to determine the energy scale with the required precision of < 2%.

L’expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l’angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l’étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d’effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d’installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l’effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l’expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l’expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l’étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d’interaction et partant l’efficacité de détection. L’étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l’expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d’améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s’expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d’observer la distorsion — caractéristique de l’oscillation — du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s’attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s’en prémunir sont enfin discutés. / The Double Chooz experiment aims to measure the θ₁₃ mixing angle through the disappearance—induced by the oscillation phenomenon—of anti-neutrinos produced by the Chooz nuclear reactors. In order to reduce systematic uncertainties, the experiment relies on the relative comparison of detected signals in two identical liquid scintillator detectors. The near one, giving the normalization of the emitted flux, is currently being built and will be delivered in spring 2014. The far detector, sensitive to θ₁₃, is located at about one kilometer and is taking data since 2011. In this first phase of the experiment, the far detector data are compared to a prediction of the emitted neutrino flux to estimate θ₁₃. In this thesis, the Double Chooz experiment and its analysis are presented, especially the background studies and the rejection of parasitic signals due to light emitted by photo-multipliers. Neutron fluxes between the different detector volumes impact the definition of the fiducial volume of neutrino interactions and the efficiency of detection. Detailed studies of these effects are presented. As part of the Double Chooz experiment, studies were performed to improve the prediction of neutrino flux emitted by reactors. This work revealed a deficit of observed neutrino rates in the short baseline experiments of last decades. This deficit could be explained by an oscillation to a sterile state. The Stereo project aims to observe a typical signature of oscillations: the distortion of neutrino spectra both in energy and baseline. This thesis presents the detector concept and simulations as well as sensitivity studies. Background sources and the foreseen shielding are also discussed.

Interagissant très peu avec leur environnement, les neutrinos peuvent aujourd'hui être clairement détectés à l'aide d'une technologie largement éprouvée reposant sur l'utilisation de liquide scintillant et de photo-multiplicateurs. Les progrès réalisés ces dernières années permettent de réduire la taille et la complexité des détecteurs et laissent ainsi entrevoir les premières applications à ces particules. Première expérience placée à 7,2 m d'un coeur de réacteur nucléaire, le détecteur Nucifer démontre la possibilité de compter les antineutrinos venant du combustible à cette faible distance induisant un environnement très défavorable en terme de bruits de fond. Dans cette thèse, nous présentons l'analyse ayant permis de rejeter les différents bruits de fond venant du réacteur et de son circuit de désactivation mais aussi des muons atmosphériques. Une prédiction du taux d'antineutrinos avec différentes simulations Monte-Carlo a également été réalisée et se trouve en accord avec le taux mesuré dans la limite des incertitudes statistiques et systématiques. Sur près d'un an de prise de données, nous avons pu suivre l'évolution en puissance du réacteur Osiris. Une étude de sensibilité a montré que la présence de plutonium dans le coeur d'Osiris était détectable à 95 % CL dès que cet isotope contribue à hauteur de 10 % de la masse fissile (1,5 kg dans Osiris). En outre, le détecteur a montré une grande stabilité tout au long de la prise de données prouvant que le contrôle à distance des réacteurs nucléaires est possible. Cette expérience ouvre donc la voie à de nouveaux modes de contrôle des réacteurs nucléaires pour les autorités de sûreté. Dans le cadre des travaux sur les spectres d'antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires, un déficit a récemment été mis en évidence dans le taux des antineutrinos mesurés pour les expériences à courte distance des réacteurs. Ce déficit, appelé anomalie réacteur, pourrait trouver son origine dans une nouvelle oscillation à travers un état stérile du neutrino à l'électronvolt. L'expérience Stéréo a pour but de trancher sur l'existence ou non de cette oscillation en se plaçant à 10 m du réacteur nucléaire de l'ILL. En observant une distorsion à la fois en énergie et en distance, le détecteur permettra en effet d'apporter une conclusion solide sur ce phénomène. Nous revenons ici sur le développement du projet et sur les différents choix technologiques réalisés pour améliorer la sensibilité de l'expérience. Une attention particulière est portée sur l'estimation des bruits de fond provenant du réacteur nucléaire ainsi que des expériences voisines utilisant des faisceaux de neutrons. Des mesures expérimentales alliées à des simulations ont permis de quantifier les flux de rayons gammas et de neutrons ainsi que leur direction afin de prévoir les blindages nécessaires. Enfin, nous présentons les performances du prototype correspondant à une cellule du détecteur final. / In spite of a faint interaction with their environment, neutrinos can be now clearly detected thanks to a proven technology based on liquid scintillators and photomultiplier tubes. The advances made these last years allow to reduce the size and the complexity of the detectors and therefore naturally lead to the first applications with these particles. As the first experiment to be placed at 7.2 m of a nuclear core, the Nucifer detector demonstrates the possibility of counting antineutrinos coming from the nuclear fuel at such a short baseline despite the very unfavourable environment in term of the background noises. In this thesis, we present an analysis which rejects the various background noises coming from the reactor and its deactivation circuit but also from the atmospheric muons. A prediction of the antineutrino rate with several Monte-Carlo simulations was also performed and is in good agreement with the measured rate, within statistical and systematic uncertainties. After nearly one year of data taking, we were able to follow the power evolution of the reactor Osiris. A sensibility study showed that the presence of plutonium in the Osiris core was detectable at 95 % CL as soon as this isotope contributes at the level of 10 % of the fissile mass (1,5 kg in Osiris). Besides, the detector was very stable throughout the data taking proving that the remote control of nuclear reactor with a neutrino detector is possible. Thus, this experiment opens the way to new control modes of nuclear reactors by the nuclear safety authorities. As part of the work on the antineutrino spectra emitted by nuclear reactors, a deficit was recently highlighted in the observed antineutrino rate for the experiments at short baseline. This deficit, called the reactor anomaly, could be explain by a new oscillation into a sterile state of the neutrino at the electronvolt scale. The Stereo experiment aims to test the existence of this oscillation by performing measurements 10 m away from the ILL nuclear reactor. By observing a distortion pattern of the energy and distance dependence of the neutrino spectrum, the detector will be able to provide a solid proof of this phenomenon. We present here the project development and the various technological choices that we have done to improve the experiment sensibility. The estimation of the background noise coming from the nuclear reactor as well as the nearby experiments using neutron beams has been performed with on-site measurements and simulations to design the shielding of the detector. Eventually we present the performances of the prototype which corresponds to one cell of the final detector.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure précise de l'angle de mélange θ₁₃. Son évaluation repose sur l'étude de la disparition des antineutrinos produits par les réacteurs de la centrale de Chooz, disparition due au phénomène d'oscillation des neutrinos. Deux détecteurs identiques composés de liquide scintillant permettent d'effectuer une mesure relative, diminuant ainsi les incertitudes systématiques. Le détecteur proche, qui fournit la normalisation du flux de neutrinos émis, est en cours d'installation, son achèvement est prévu pour le printemps 2014. Le détecteur lointain, sensible à l'effet de θ₁₃, est situé à un kilomètre environ et prend des données depuis 2011. Dans cette première phase de l'expérience, les données acquises par le détecteur lointain sont comparées à une prédiction du flux de neutrinos émis par les réacteurs pour estimer le paramètre θ₁₃. Au sein de cette thèse, l'expérience Double Chooz et son analyse sont présentées. Une attention particulière est portée à l'étude des bruits de fond et au rejet de signaux parasites constitués de flashs lumineux émis par les photo-multiplicateurs. Les flux de neutrons aux interfaces entre les différents volumes du détecteur affectent la définition du volume d'interaction et partant l'efficacité de détection. L'étude détaillée de ces effets de bord est présentée. Dans le cadre de l'expérience Double Chooz, des études ont été menées afin d'améliorer la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs. Ces travaux ont mis à jour un déficit des taux de neutrinos observés dans les expériences passées à courtes distances des réacteurs. Ce déficit pourrait s'expliquer par une oscillation vers une saveur stérile. Le projet Stereo a pour but d'observer la distorsion -- caractéristique de l'oscillation -- du spectre des neutrinos en énergie et en distance de propagation. Cette thèse s'attache à présenter le concept du détecteur, les simulations réalisées, ainsi que les études de sensibilité. Les différents bruits de fond et les blindages envisagés pour s'en prémunir sont enfin discutés.

Le cadre global des oscillations de neutrinos est maintenant bien compris et nous quittons une ère d'exploration pour une ère de précision. L'expérience Double Chooz a pour but de mesurer l'angle de mélange theta13 par l'étude des oscillations des antineutrinos électroniques produits par les réacteurs de la centrale nucléaire de Chooz. Dans cette thèse, une sélection préliminaire des neutrinos détectés dans le détecteur proche est présentée. Les résultats les plus récents de Double Chooz, desquels sont extraits la mesure de theta13 la plus précise que l'expérience peut fournir à ce jour, seront également discutés. La géométrie de l'expérience, relativement simple, représente un avantage considérable afin d'effecteur des études de directionalité des neutrinos dont les résultats, obtenus en analysant les jeux de données les plus récents avec captures sur Gd et H, sont présentés. Ce concept de directionalité peut être appliqué à l'astronomie/astrophysique en offrant la possibilité de localiser des supernovas après détection de leurs neutrinos. Les résultats de simulations de directionalité effectuées avec différentes combinaisons de détecteurs seront présentées. Enfin, plusieurs anomalies pourraient s'expliquer par l'existence de nouveaux états, stériles, de neutrinos. Le but de l¿expérience CeSOX est de confirmer ou réfuter cette hypothèse en déployant une source radioactive à coté d'un grand détecteur comme KamLAND ou Borexino. Dans cette thèse seront présentés les résultats des simulations de signaux et de bruits de fond effectuées afin de valider le principe de l'expérience et de s'assurer de sa sensibilité à l'observation d'une oscillation vers un neutrino stérile. / The framework of neutrino oscillations is quite well-understood and now requires precision rather than exploration. The Double Chooz experiment aims at measuring the theta13 mixing angle through the oscillations of electronic antineutrinos produced by the reactors of the Chooz nuclear power plant. The comparison of the interaction rates and spectral shapes in the two Double Chooz's detectors allows the observation of a disappearance and a spectral distortion, both driven by theta13. In this thesis, a preliminary neutrino selection with the near detector, whose data taking started in December 2014, has been performed. The most recent results of Double Chooz, providing the most precise measurement of the experiment, are presented as well.The simple layout of Double Chooz is a strong advantage to conduct directionality studies. Results of these studies using the most recent neutrino candidates with neutron captures on Gd and H are showed. Neutrino directionality can be applied to astronomy, with the localization of core-collapse supernovae. To this purpose, results of directionality measurements performed with combinations of large neutrino detectors over the globe are presented.Finally, recent anomalies observed in short baseline experiments provided hints of the hypothetical existence of additional sterile neutrino states. The goal of the CeLAND/CeSOX experiment is to test this hypothesis by deploying a radioactive source next to a large liquid scintillator detector such as KamLAND or Borexino. In this thesis, are presented results of signal and background simulations performed to validate the design and assess the sensitivity of such an experiment.

Neutrino oscillations est trés bien étudié le phénoméne et des observations de Solar, trés-long-base de référence du réacteur, l'atmosphére et d'accélérateur à l'oscillation des neutrinos expériences trés robuste donner la preuve de trois mélange des neutrinos. D'autre part, certaines données expérimentales ont montré des anomalies qui pourraient être interprétées comme indication de la physique des neutrinos exotique au-delà de trois mélange des neutrinos. En outre, à partir d'un point de vue cosmologiques, la possibilité déspéces extra léger comme une contribution subdominant chaud de l'Univers est toujours intéressant. Dans la premiére partie de cette thése, nous nous sommes concentrs sur l'anomalie observée dans le Gallium source radioactive expériences. Ces expériences ont été réalisées pour tester la Gallium détecteurs de neutrinos solaires GALLEX et SAGE, en mesurant le flux de neutrinos d'électrons produit par une intense des sources radioactives artificielles placées à l'intérieur de détecteurs. Le mesurée certain nombre d'événements a été inférieur à celui attendu. Nous avons interprété cette anomalie comme une indication possible de la disparition de neutrinos et d'électrons, dans le cadre efficace de deux de mélange des neutrinos, nous avons obtenu sin2 2Theta > 0.03 et Deltam2 > 0.1 eV2. Nous avons également étudié la compatibilité de ce rsultat avec les donnes de le réacteur Bugey et de Chooz antineutrino disparition expériences. Nous avons constaté que les données Bugey présente un indice d'oscillations de neutrinos 'a 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.95 eV2, qui est compatible avec le permis de Gallium de la region paramtres de mixage. Puis, en combinant les données de Bugey et de Chooz, les données de Gallium et de Bugey, et les données de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que ce soup¸con persiste, avec une certaine compatibilité des données expérimentales. En outre, nous avons analysé les données expérimentales de l'ILL, SRS, Gösgen et expériences réacteur nucléaire. Nous avons obtenu un bon ajustement de la I.L.L. données, en montrant 1 et 2Sigma permis régions de l'espace des paramétres d'oscillation. Toutefois, la combinaison de I.L.L. données avec le Bugey les données ont révélé un trés faible compatibilité, si nous n'avons pas utilisé l'ILL données pour les analyzes supplémentaires. Notre ajustement de la S.R.S. expérience a donn de trés petites valeurs de la qualité d'ajustement (goodness-of-fit), ce qui indique que les données sont incompatibles avec l'hypothése d'oscillations, ainsi que les oscillations aucune hypothése. Nous n'avons pas d'explication à ce résultat. De l'analyze de la Gösgen expérience, nous avons obtenu des limites supérieures pour les paramétres de mélange, à l'exclusion de la region avec sin2 2Theta ≥ 0.3 et Deltam ≥ 0.05 eV2 à 3Sigma C.L.. Grâce â la combinaison de ces données avec celles de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que l'indice des oscillations de neutrinos persiste â 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.93 eV2, avec une bonne compatibilité des données. Toutefois, les oscillations aucune hypothése ne peut être exclue. Motivé par ces résultats, dans la deuxiéme partie de ce travail nous avons étudié contraintes cosmologiques sur une lumiére non-thermique neutrino stérile. Nous aménagées--la date des données cosmologiques avec une longue LCDM, y compris en lumiére les vestiges d'une masse dans la gamme 0.1-10 eV. Nous avons obtenu des contraintes sur la densité de courant et de la vitesse de dispersion de ces reliques, ainsi que des contraintes sur leur masse, à supposer qu'elles consistent soit découplé de la petite thermique des reliques, ou de non-resonantly produit stérile neutrinos. Nos résultats sont utiles pour peser sur des particules-motivés avec trois modéles de neutrinos actifs et un trés léger espéces.