Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les observations des neutrinos atmosphériques dans les détecteurs Kamiokande (Japon) et Irvine-Michigan-Brookhaven (1MB, Etats-Unis) font preuve d'une anomalie dans le rapport v^/Ve- Le phénomène d'osciUations de neutrinos v^-^Vx est une explication possible de cette anomalie. Le projet d'expérience E889 à l'AGS de Brookhaven avait pour objet la recherche des oscillations de neutrinos à longue distance en utilisant un faisceau de neutrinos muoniques ayant une énergie moyenne Ey ^ l GeV. <J La masse des neutrinos et le mélange entre les saveurs sont les deux caractéristiques qui définissent les oscillations entre saveurs de neutrinos. L'observation des oscillations aurait d'importantes conséquences en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie. Dans la proposition de l'expérience E889, quatre énormes détecteurs Cerenkov à eau sont utilisés pour observer le faisceau de neutrinos, jusqu'à une distance de 68 km. Pour comprendre le signal Cerenkov produit par des particules chargées dans ces détecteurs, une étude par simulation Monte-Carlo de l'éinission Cerenkov par des inuons, électrons et des rayons gamina est présentée. Cette étude identifie quelques différences significatives entre la distribution de l'éimssion Cerenkov de ces particules. On peut envisager la possibilité de discriminer entre les gerbes électromagnétiques induites par un électron ou par un rayon gamma: la predominance de la production de paires (7-«-e+e-) par les rayons gamma de haute énergie (E^ ^ 25 MeV) conduit à une intensité de lumière Cerenkov plus élevée pendant les premières longueurs de radiation. Deux geometries pour les détecteurs sont étudiées: la première ayant 3562 phototubes de 8 pouces de diamètre par détecteur, et la deiixièine ayant 946 phototubes de 20 pouces de diamètre (configuration similaire au détecteur Kamiokande). Quant à la reconstruction des particules (vertex de l'interaction, impulsions des particules secondaires et identification des particules), les deux géoinétries ont une perforinance similaire. IV Les interactions à courant neutre (CN) peuvent servir à la norinalisation du flux total de neutrinos. La production de pions neutres par une interaction neutrino-nucléon à courant neutre fournit un signal clair dans un détecteur ôerenkov à eau, grâce aux deiix anneaux provenant des gerbes électromagnétiques dans la désintégration 7r°-^77. Une analyse d'événements CN(7r°) est présentée qui tient compte de plusieurs sources de contamination venant d autres types d'interactions produisant égaleinent deux anneaux. Cette analyse démontre que ce mode est clairement identifiable, et peut être utilisé pour la normalisation du taux d événements quasi-élastiques v^n-^p,~p, ou comme signal de disparition dans le cas des oscillations vers un état stérile v^-^v,. Dans le cas des osciUations v^,-^Ve,ri la sensibilité est assez bonne pour couvrir entièrement la portion du plan (Am2,sin 28) qui correspond à l'anomalie atmosphérique. La sensibilité est moins bonne pour les oscillations v^^-v,, et une prise de données plus longué que prévue serait nécessaire pour augmenter le nombre d'événements CN(7T°) observes.

Le projet DUNE est un projet d’expérience d’oscillations de neutrinos sur faisceau longue-distance, dédié en particulier à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure de la phase de violation CP intervenant dans le mécanisme d’oscillations. Ce projet consiste en un faisceau intense de neutrinos de 1300 km et un détecteur massif contenant plus de 40 kilotonnes d’argon liquide, basé sur la technologie des chambres à dérive à argon liquide (LArTPC). Deux approches de cette technologie sont actuellement en développement, menant à l'installation au CERN de deux prototypes dont la construction devrait s'achever fin 2018. Le travail présenté dans cette thèse s’intègre dans le cadre du projet ProtoDUNE-DP, qui vise à prouver la faisabilité de la technologie dite « double-phase », c’est-à-dire utilisant de l'argon liquide et gazeux, pour les LArTPC de cette envergure. Deux signaux principaux sont attendus dans un tel détecteur, un signal de charges et un signal lumineux de scintillation. Le signal lumineux peut être utilisé dans le système de déclenchement d'acquisition des données, dans l’identification et éventuellement la réjection du signal dû aux muons cosmiques, et pour des mesures calorimétriques de précision. Des simulations préalables de ce signal sont donc nécessaires afin d'en comprendre les particularités et de développer des algorithmes d'identification. Cette thèse porte en particulier sur le développement de cette simulation et sur l’étude de la propagation des photons de scintillation au sein du détecteur. Les différents mécanismes de production de la lumière de scintillation, la simulation développée au cours de cette thèse et les études réalisées sur la propagation de la lumière de scintillation dans ProtoDUNE-DP seront présentés. Ces simulations ont également pu être comparées aux données recueillies avec un pré-prototype double-phase installé au CERN en 2017, afin de tester la validité de la simulation et d’en améliorer les différents paramètres. / DUNE is a future long-baseline neutrino experiment designed to determine, among others, the neutrino mass hierarchy and to measure the CP violation phase that enters the neutrino oscillation process. This project is based on a 1300 km long high intensity neutrino beam and a massive detector containing more than 40 kilotons of liquid argon using the liquid argon time projection chamber technology (LArTPC). Two approaches of this technology are currently under development, leading to the construction of two prototypes to be in place at the end of 2018 at CERN. The work of this thesis is part of the ProtoDUNE-DP project, which aims at probing the capabilities of the so-called “dual-phase” technology, that uses both gaseous and liquid argon, for a large-scale detector. Two kind of signals, a charge signal and a scintillation light signal, are expected in a LArTPC. The light signal can be used as a trigger, for the identification and rejection of the cosmic background, and for precise calorimetric measurements. Prior simulations of this signal are needed in order to improve our understanding of the scintillation light signal and to develop the identification algorithms. This work addresses the development of this simulation and the study of the scintillation photon behavior in the liquid argon detector. The different scintillation light production mechanisms, the developed simulation and the different studies on the light propagation in ProtoDUNE-DP are presented. These simulations have also been compared with light data taken at CERN in 2017 with a first demonstrator, in order to validate and tune the simulation.

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.