Dissertationen zum Thema „Chambres à projection temporelle (physique)“

La TPC (Time Projection Chamber) de DELPHI, en fournissant 16 points tri-dimensionnels par trace chargée, joue un rôle pivot dans la reconstruction des événements L. E. P. Ce détecteur en mesurant l'énergie déposée le long des trajectoires permet également une identification des particules ; en particulier, il rend possible une séparation à 3 écarts types entre électron et pion jusqu'à 7. 5 GeV. Dans cette thèse, nous développons le contrôle des systématiques dans la mesure de l'énergie déposée. En particulier, nous présentons les résultats de la calibration des 12 chambres proportionnelles de la TPC de DELPHI. Ces mesures permettront de bénéficier au mieux du pouvoir d'identification de la TPC. Dans la deuxième partie de cette thèse, différentes méthodes de mesures des oscillations des mésons beaux, sont abordées. Dans cette étude, le type de résultats qui peuvent être obtenus à DELPHI, est estimé. On s'est attaché plus particulièrement à introduire une mesure différentielle des oscillations qui apparaît comme la seule méthode permettant de mesurer le mélange maximal attendu pour des mésons B⁰s √ B⁰s
The TPC (Time Projection Chamber) of DELPHI which gives 16 tridimensional space-points for each charged track, is fondamental in the reconstruction of L. E. P. Events with complex topology. This detector with its measurement of the energy lost by particles in the Ar/CH4 mixture, permits also separation between electron and pion at 3 standard deviations below 7. 5 GeV. In this thesis we develop the control of systematic errors in the energy lost measurement. More precisely, we present results on the 12 TPC proportional chambers calibration. With these measurements we can use the identification power of the TPC in the best condition. In the second part of this thesis, we develop different methods on the beauty meson oscillation measurement. We estimate the possibility for the DELPHI detector in this sector. Particularly, we introduce the differential measurement of the oscillation which seems to be the only method to have access to the maximal mixing of the B⁰s √ B⁰s mesons

T2K est une expérience d'oscillation de neutrinos à longue ligne de base se déroulant au Japon et dont l'objectif est la mesure de l'angle de mélange 013. L'expérience utilise pour cela un faisceau intense de neutrinos muoniques et observe les oscillations en neutrinos électroniques, me, dans le détecteur Super-Kamiokande situé à 295 km de la source des neutrinos. Cette thèse présente une mesure de la contamination intrinsèque du faisceau en ve, qui représente le bruit de fond principal à la recherche des oscillations. Pour introduire l'analyse, le phénomène d'oscillation de neutrinos, le dispositif expérimental de l'expérience T2K, ainsi que les premiers résultats publiés de l'expérience, sont présentés. La mesure de la contamination est faite en utilisant les données récoltées en 2010 et 2011 par le détecteur proche de l'expérience, situé à 280 m de la source du faisceau. Une sélection d'interactions par courant chargé de ve, puis de vi,„ est effectuée afin de mesurer le rapport du nombre d'interactions ve/vii, et estimer la contamination du faisceau. Le résultat obtenu avec les données est compatible avec la prédiction faite par simulation, avec une contamination de l'ordre de 1%. Ce manuscrit présente également une étude de l'alignement des modules MicroMegas équipant les détecteurs TPC du détecteur proche. Il est montré que des défauts d'alignement des modules entraînent des biais dans la mesure de l'impulsion des particules chargées observées dans les TPC. Des données de rayons cosmiques traversant les TPC sont utilisées afin de mesurer l'alignement relatif des modules et de corriger ses effets lors de la reconstruction des événements
T2K is a long baseline neutrino experiment currently running in Japan, which aims at measuring the mixing angle 013. The experiment uses a high intensity beam of muon neutrinos, and observes the oscillations into electron neutrinos, ve, at the Super-Kamiokande detector, 295 km away from the neutrino source. This thesis presents a measurement of the intrinsic beam contamination in electron neutrinos, which is the dominant background when looking for this kind of oscillations. As an introduction to the analysis, the T2K experimental setup is presented, as well as the first published T2K oscillation results. The beam contamination measurement is made from a data set taken in 2010 and 2011 by the near detector of the experiment, located at 280 m from the beam source. Selection criteria are defined to create two samples of charged current electron neutrino interactions and charged current vii interactions, in order to calculate the ratio of the number of interactions and estimate the beam contamination. The result is in agreement with the beam simulation and shows a contamination in ve of the order of 1%. This thesis also contains a study of the alignment of the MicroMegas modules on the near detector TPCs. It is shown that misalignments between modules can introduce a bias in the momentum mea-surement of the charged particles crossing the TPCs. Cosmic ray data is used to determine the relative misalignments between modules and correct the related effects in the event reconstruction

L’étude des noyaux à la drip-line proton est un outil récent et puissant pour sonder la structure nucléaire loin de la vallée de stabilité. En particulier, le phénomène de radioactivité deux protons prédit théoriquement en 1960 a été découvert expérimentalement en 2002. Ce travail de thèse concerne une expérience réalisée au GANIL dans le but d’étudier la radioactivité 2pde 54Zn avec une chambre à projection temporelle, développée pour la détection individuelle de chaque proton et la reconstruction de leur trajectoire en trois dimensions. L’analyse des données a permis de déterminer les corrélations en énergie et en angle entre les deux protons.Celles-ci ont été comparées à un modèle théorique qui prend en compte la dynamique de la décroissance, permettant d’obtenir des informations sur la structure de l’émetteur. La statistique obtenue étant très faible, l’interprétation des résultats reste encore limitée mais ces résultats ouvrent de très belles perspectives sur les études futures des noyaux aux limites d’existence
The study of nuclei at the proton drip-line is a recent and efficient tool to prove the nuclearstructure far from stability. In particular, the two proton radioactivity phenomenonpredicted in 1960 has been discovered in 2002. This PhD thesis concerns an experiment realisedat GANIL, in order to study the 2p radioactivity of 54Zn with a time projection chamber,developed for the individual detection of each proton and the reconstruction of their tracksin three dimensions. The data analysis allowed to determine the correlations in energy andangle between the two protons. They have been compared to a theoretical model, which takesinto account the dynamics of the emission, giving information about the structure of theemitter. However, due to the very low statistics, the interpretation of the results is limitedbut these results open very interesting prospects for further studies of nuclei at the limits ofthe existence

La mise en évidence de décroissances radioactives à plusieurs particules nécessite un détecteur multi-trace tel qu'une chambre à projection temporelle (TPC) dont le point de fonctionnement peut-être réglé selon la nature des éléments étudiés. La modélisation électrique d'un détecteur de ce type révèle qu'en fonction des conditions d'utilisation et de la nature des éléments étudiés, la dynamique des signaux générés peut s'élever au-delà de cinq ordres de grandeur. Un système de traitement spécifiquement dédié à cette application doit donc être étudié. Pour satisfaire aux contraintes du matériel expériemental, ce système doit être intégré et son architecture fonctionnelle doit être semblable à celle du prototype présenté. La topologie de l'étage d'entrée du prototype restreint la dynamique de traitement. La solution étudiée pour résoudre ce problème consite à substituer cet étage par un circuit convoyeur de courant de deuxième génération (CCII) à sorties multiples. L'étude de sa linéarité conduit à envisager l'amplitude maximale des signaux qu'il est apte à traiter. Une dynamique supérieure à 1. 10(exposant 5) est atteinte en simulation, en réalisant des circuits de filtrage adapté. L'optimisation de ce convoyeur et des filtres permettrait d'augmenter encore cette dynamique
The emphasis on many-particles radioactive decays requires a tracking detector like a Time Projection Chamber (TPC), which operating point can be set in accordance with the nucleides analyzed. The electrical model of such a detector reveals that, depending on its operating conditions and the nature of elements under study, the signals dynamic range can be up to more than five orders of magnitude. Consequently, an application specific processing system has to be designed. To meet the requirements of the experimental equipment, this system muste be integrated and its functional architecture muste be similar to the one of the prototype presented. The topology of the input stage of the protoype narrows the dynamics of the processing. The solution suffested to solve this problem consists in substituting this stage by a second generation current conveyor (CCII) with multiple outputs. The study of its linearity leads to predict the highest signal amplitude that it's able to process. A dynamic range greater than 1. 10(5) obtained in simulation with adapted filters. Optimization of this conveyor and filters coukd lead to extend even more this dynamic range

Une grande ‘Chambre à Projection Temporelle’ (TPC) est un candidat pour la détection et la mesure des traces chargées auprès de l’ILC, collisionneur linéaire d’électrons et de positons de 31 km permettant d’atteindre des énergies dans le centre de masse de 250 GeV à 1 TeV. Le travail de R&D décrit dans cette thèse porte sur un type nouveau de TPC, dont la lecture est assurée par des Micromégas à anode résistive. Ce dispositif permet de répartir le signal électrique sur plusieurs carreaux, même lorsque la charge est déposée sur un seul carreau. Il permet aussi de protéger l’électronique, ce qui est utilisé dans notre prototype pour miniaturiser les cartes de lecture. Dans ce travail, des modules Micromégas ont été testés et caractérisés, dans un premier temps, en faisceau, un par un au centre de la chambre, puis 7 modules montés en même temps de façon à couvrir la surface. Egalement, des tests sur un banc équipé d’une source de ⁵⁵Fe ont permis de caractériser les 7 modules utilisés. Une résolution en position de 60 microns par ligne de carreaux est obtenue à petite distance de dérive. L’uniformité est aussi évaluée, et des distorsions pouvant atteindre environ 500 microns sont observées. L’ensemble des résultats démontre l’adéquation de ce type de lecture à la TPC pour l’ILC. La fraction de retour des ions est également mesurée à l’aide d’un détecteur de même géométrie et avec le même gaz que ceux utilisés dans ces tests, et la loi en rapport inverse des champs est validée à nouveau dans ces conditions. La même technique est appliquée à la réalisation d’un imageur neutron, consistant en une TPC Micromégas ‘plate’ précédée d’un film convertisseur de 1mm d’épaisseur. Les protons éjectés par les neutrons sont ‘suivis à la trace’ dans le volume gazeux, ce qui permet de reconstruire avec une précision meilleure que le millimètre le point d’origine du neutron
The study of the fundamental building blocks of matter necessitates always more powerful accelerators. New particles are produced in high energy collisions of protons or electrons. The by-Products of these collisions are detected in large apparatus surrounding the interaction point. The 125 GeV Higgs particle discovered at LHC will be studied in detail in the next e⁺e⁻ collider. The leading project for this is called ILC. The team that I joined is working on the R&D for a Time Projection Chamber (TPC) to detect the charged tracks by the ionization they leave in a gas volume, optimised for use at ILC. This primary ionization is amplified by the so-Called Micromegas device, with a charge-Sharing anode made of a resistive-Capacitive coating. After a presentation of the physics motivation for the ILC and ILD detector, I will review the principle of operation of a TPC (Chapter 2) and underline the advantages of the Micromegas readout with charge sharing. The main part of this PhD work concerns the detailed study of up to 12 prototypes of various kinds. The modules and their readout electronics are described in Chapter 3. A test-Bench setup has been assembled at CERN (Chapter 4) to study the response to a ⁵⁵Fe source, allowing an energy calibration and a uniformity study. In Chapter 5, the ion backflow is studied using a bulk Micromegas and the gas gain is measured using a calibrated electronics chain. With the same setup, the electron transparency is measured as a function of the field ratio (drift/amplification). Also, several beam tests have been carried out at DESY with a 5 GeV electron beam in a 1 T superconducting magnet. These beam tests allowed the detailed study of the spatial resolution. In the final test, the endplate was equipped with seven modules, bringing sensitivity to misalignment and distortions. Such a study required software developments (Chapter 6) to make optimal use of the charge sharing and to reconstruct multiple tracks through several modules with a Kalman filter algorithm. The results of these studies are given in Chapter 7. The TPC technique has been applied to neutron imaging in collaboration with the University of Lanzhou. A test using a neutron source has been carried out in China. The results are reported in Chapter 8

Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission
This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes

La radioactivité deux-protons est un mode de décroissance du noyau atomique ne se produisant que pour des noyaux extrêmement riches en protons, situés au-delà de la limite de cohésion proton des noyaux (drip line). Prédit dans les années 1960, ce phénomène n’a été mis en évidence expérimentalement qu’en 2002 avec l’observation de la décroissance de 45Fe. Jusqu’à maintenant, seuls quatre noyaux se désintégrant par radioactivité deux-protons étaient connus : 45Fe, 48Ni, 54Zn et 19Mg. La recherche de nouveaux émetteurs a été menée lors d’une expérience avec le dispositif EURICA-WAS3ABi au centre RIKEN Nishina en 2015. La décroissance de 59Ge, 63Se, 67Kr et 68Kr a été observée pour la première fois. La radioactivité deux-protons de 67Kr a pu être étudiée ainsi que la décroissance bêta et l’émission retardée de protons de noyaux exotiques de la région. Une chambre à projection temporelle ou TPC (Time Projection Chamber) conçue par le CENBG (2004-2011) a permis d’étudier les corrélations entre les protons pour 45Fe et 54Zn. Une deuxième génération de TPC est développée au sein de la collaboration ACTAR TPC (ACtive TARget for TPC). Ce détecteur doit permettre une vraie reconstruction tridimensionnelle de l’énergie déposée par les particules dans le volume actif, afin d’obtenir une reconstruction des traces plus performantes que l’ancienne TPC. L’électronique générique GET (General Electronics for TPCs) gère le traitement et l’acquisition des signaux. La caractérisation de l’électronique GET ainsi que du démonstrateur de la TPC au CENBG est le deuxième aspect de ce travail de thèse
Two-proton radioactivity is a decay mode of proton-rich nuclei located beyond the proton nuclear existence limit (drip line). Predicted in the 1960s, this process was observed for the first time in 2002 in the 45Fe decay study. Only four two-proton emitters were known so far: 45Fe, 48Ni, 54Zn and 19Mg. A search for new emitters was performed with the EURICA- WAS3ABi setup at the RIKEN Nishina center in 2015. The decay of 59Ge, 63Se, 67Kr and 68Kr was observed for the first time. Two-proton radioactivity of 67Kr together with the beta and delayed proton decay of exotic nuclei in the region were studied. A time projection chamber (TPC) developed at the CENBG (2004-2011) enabled the study of the correlations between the protons for 45Fe and 54Zn. A second generation of TPC is under construction within the ACTAR TPC (ACtive TARget for TPC) collaboration. This detector enables a reconstruction in three dimensions of the energy deposited in the active volume which allows a more efficient reconstruction of the tracks as compared to the previous TPC. The generic electronics GET (General Electronics for TPCs) manages the processing and acquisition of the signals. The characterisation of the GET electronics and the TPC demonstrator at CENBG is devoted to the second aspect of this PhD work

Un point crucial pour l'avenir de la Physique de Particules est représenté par la mesure de la masse et des paramètres qui gouvernent l'oscillation du neutrino, qui représentent la preuve de Physique au-delà du Model Standard. Depuis 2011, la valeur élevée de l'angle de mélange θ13 a ouvert la voie à l'étude sur la violation de symétrie CP dans le secteur de neutrinos. La nouvelle d'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a un potentiel sans précédent pour effectuer une mesure très précise des paramètres d'oscillation de neutrinos. Les grands détecteurs souterrains nécessaires pour ces mesures sont également un milieu idéal pour la recherche sur la désintégration du proton et sur la détection de neutrinos provenant des supernovæ.Les détecteurs utilisés pour ces expériences sont des Chambres à Projection Temporelle (TPC) dont la cible, très massive, est constituée d'Argon liquide. Ce type de détecteur fournit une très bonne résolution de l'image reconstruite, une excellente résolution en énergie et la possibilité d'identifier les particules. Les interactions de neutrino produisent des particules secondaires qui ionisent l'Argon liquide. Les électrons produits par ionisation dérivent sur de longues distances, sous l'effet d'un champ électrique uniforme, jusqu'à rejoindre l‘anode, équipé pour la détection de la charge. Un signal électrique est alors produit et est utilisé pour la reconstruction 3D de l'interaction primaire. La TPC en double phase liquide-gaz permet l'amplification du signal d'ionisation par des avalanches qui se produisent dans la phase gazeuse, au-dessus du niveau de l'Argon liquide. Cette technique améliore les performances de TPC en augmentant son rapport signal-bruit.Le sujet de cette thèse est la reconstruction et l'analyse de la charge de ionisation dans une TPC à Argon liquide : la mesure de la charge déposée par ionisation fournit des informations sur l'énergie cinétique des particules chargées secondaires produites lors de l'interaction de neutrino. De cette manière, il est possible de reconstruire l'énergie du neutrino entrant, de reconnaître et d'exclure les gerbes électromagnétiques produites par la désintégration du π0, puis d'effectuer l'indentification des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie par ionisation.La mesure de l'ionisation implique une connaissance approfondie de la réponse du détecteur et de l'algorithme de reconstruction. Afin d'atteindre cette connaissance nous avons effectué une analyse détaillée des pertes d'énergie simulée en étudiant les divergences entre les connaissances théoriques et la simulation. Ensuite, la simulation de la réponse du détecteur a été étudiée, en examinant les effets qui se produisent au cours de la dérive des charges et les effets liés à la réponse de l'instrumentation électronique. Ces effets systématiques qui affectent l'exactitude de l'algorithme de reconstruction sont alors caractérisés par rapport à la génération de Monte-Carlo.Par la suite, nous montrons comment il est possible d'effectuer la rejection du π0 en étudiant les pertes d'énergie. En mesurant les pertes par ionisation au début d'une gerbe électromagnétique, il est possible de comprendre si elle a été produite par un électron ou par un photon. Cela permet d'exclure le bruit dans la détection des produits d'interaction du neutrino électronique fondamental pour la recherche de la violation de CP.Par l'échantillonnage de la trajectoire d'une particule chargée et en mesurant ses pertes d'énergie, il est possible d'identifier sa nature. Une TPC à Argon liquide est également un milieu idéal pour la recherche de la désintégration du proton, en particulier en regardant certaines chaînes de désintégration exclusives, comme p  K + ν. Dans cette thèse, nous montrons ainsi comment il est possible d'identifier des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie, et plus abordons plus précisément l'identification des kaons chargés
This is an important period for High Energy Physics: many recent results, including the Higgs discovery and its characterization, confirm the Standard Model. A crucial point for the future of Particle Physics is the study of neutrino masses and mixing representing the first established evidence of physics beyond the SM. Since 2011, the large value of the ?13 mixing angle opened the way to the investigation of CP violation in the neutrino sector. A next generation long baseline neutrino experiment (DUNE) has unprecedented potential to precisely measure the neutrino oscillation parameters, determine the neutrino mass hierarchy and has a very good chance to discover evidence for CP violation in the leptonic sector. The large underground neutrino detectors needed for this task will also address the search for proton decay and the observation of supernovae neutrinos. Giant Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs) will be employed as neutrino targets and detectors. They provide bubble-chamber quality imaging coupled to excellent energy resolution and particles identification capabilities. Neutrino interactions produce secondary particles, which ionize the liquid argon. The ionization electrons drift for long distances along a uniform electric field until they reach finely segmented and instrumented anodes, producing electrical signals that are used for 3D imaging and analysis of the primary interactions. The dual-phase readout technique foresees the amplification of the ionization signal in avalanches occurring in the gas phase above the liquid argon level. This technique further enhances the performance of the LAr TPC by increasing its signal to noise ratio. The subject of thesis is the ionization charge reconstruction and analysis in the dual-phase LAr TPC: the ionization charges measurement provides information about the kinetic energy of secondary charged particles produced in neutrino interactions. In this way, it is possible to reconstruct the incoming neutrino energy, identify and reject electromagnetic shower generated by photons from pi0 decay and perform particles identification from the measurement of the specific ionization losses.The measurement of the ionization implies a detailed knowledge of the detector response and of the reconstruction algorithm. In order to achieve this knowledge a detailed analysis of the simulated energy losses has been performed by studying the differences between the theoretical knowledge and the simulation

L'existence de la matière noire est connue en raison de ses effets gravitationnels et, bien que sa nature reste inconnue, un des candidats principaux est une particule massive interagissant faiblement (WIMP) ayant une masse de l'ordre de 100 GeV/c2 et un couplage avec la matière ordinaire à ou en dessous de l'échelle faible. Dans ce contexte, DarkSide-50 cherche à observer des collisions WIMP-nucléon dans une chambre de projection temporelle à double phase d'argon liquide située dans le sous-sol du Laboratoire National du Gran Sasso (LNGS), en Italie. Le travail présenté ici porte d'abord sur une étude de la réponse de l'argon aux reculs nucléaires et électroniques à basse énergie, réalisée par l’expérience ARIS. Le quenching nucléaire a été mesuré avec la meilleure précision à cette date et la probabilité de recombinaison a été comparée aux différents modèles décrivant le comportement de l’argon en présence d’un champ électrique. Une recherche de WIMP de faible masse effectuée avec les données DarkSide-50 est également présentée. Cette recherche porte sur le signal d'ionisation du TPC, conduisant à un seuil de détection beaucoup plus bas qu’en utilisant la scintillation. Les limites d'exclusion atteintes figurent parmi les meilleures pour des masses de WIMPs entre 2 et 6 GeV/c2 et sont les plus strictes pour une cible d'argon liquide. Enfin, une recherche préliminaire d'axions est présentée. Les axions sont un candidat alternatif à la matière noire, proposés comme solution au « problème CP fort ». Ils sont détectables dans DarkSide via leur couplage aux électrons. Cette recherche nécessitait l'amélioration de la modélisation des sources de fond en prenant en compte les effets atomiques dans les spectres d'émission bêta, ainsi qu'une redéfinition de l'échelle d'énergie convertissant l'énergie déposée dans l’argon en un certain nombre d'électrons extraits. Les résultats présentés montrent une sensibilité encourageante aux axions solaires et galactiques
The existence of dark matter is known because of its gravitational effects, and although its nature remains undisclosed, one of the leading candidate is the weakly interacting massive particle (WIMP) with mass of the order of 100 GeV/c2 and coupling with ordinary matter at or below the weak scale. In this context, DarkSide-50 aims to direct observe WIMP-nucleon collisions in a liquid argon dual phase time-projection chamber located deep underground at Gran Sasso National Laboratory, in Italy. This work first details the argon calibration realised by the ARIS experiment. ARIS characterised the argon response to low energy nuclear and electronic recoils, down to unprecedented energies. The nuclear quenching was measured with the best precision to this date, and the recombination probability extracted was compared to different models describing the behaviour of argon in presence of an electric field. A search for low mass WIMPs performed with DarkSide-50 data is also presented. This search focuses on the ionisation signal from the TPC, leading much to much lower detection threshold. The achieved exclusion limits are amongst the leading ones, and the most stringent for a liquid argon target. Finally a preliminary search for axions is presented. Axions are an alternative candidate to dark matter, proposed as a solution to the strong CP problem. They are detectable in DarkSide via their coupling to electrons. This search required the improvement of the modelling of the background sources, by taking into account atomic effects in beta emission spectra, as well as a redefinition of the energy scale converting the energy deposited into a number of extracted electrons. The results presented show an encouraging sensitivity to both solar and galactic axions

L'étude des noyaux exotiques est un outil important pour sonder la structure nucléaire des noyaux éloignés de la stabilité. Pour des noyaux situés à la drip-line proton, l'émission directe de protons a été prédite depuis le début des années 1960. Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude de la radioactivité 2-protons du noyau 45Fe. Un modèle théorique récent, dit modèle à trois corps, prévoit les corrélations énergétiques et angulaires qui doivent exister entre les protons émis. Afin d'étudier le processus d'émission, une Chambre à Projection Temporelle a spécialement été conçue pour reconstruire en trois dimensions la trajectoire des protons. Elle a été utilisée pendant une expérience sur le séparateur LISE3 du GANIL pour l'étude de 45Fe. Pour la première fois, les deux protons émis ont pu être détectés individuellement. Des outils d'analyse spécifiques ont permis de calculer les corrélations énergétiques entre les protons, montrant qu'ils partagent équitablement l'énergie disponible, tel que le prévoient les différents modèles théoriques. Les corrélations angulaires ont été étudiées, mais le manque de statistique ne permet pas de trancher définitivement sur le processus d'émission mis en jeu même si les données sont en accord avec les prévisions du modèle à trois corps. L'expérience a également permis d'étudier l'émission retardée de protons de 43Cr. L'émission beta-2p a été identifiée ; les corrélations énergétiques et angulaires sont en faveur d'une émission séquentielle des deux protons. Enfin, et pour la première fois, l'émission retardée de trois protons a été observée pour ce noyau.

Le projet WA105/ProtoDUνE-DP est une expérience de prototypage qui a pour objectif de tester la technologie de Chambre à Projection Temporelle à Argon Liquide Diphasique (DLArTPC) à grande échelle dans le but de l'utiliser dans la future expérience de physique des neutrinos DUνE. Prévue fin 2026 aux USA, DUνE vise à déterminer l'ordre des masses des neutrinos ainsi que la violation de CP dans le secteur leptonique. Le travail de cette thèse s'oriente dans un premier temps autour des tests et simulations effectués sur les éléments de détection et d'amplification des détecteurs de WA105. Dans un second temps, la thèse s'oriente autour de l'analyse des traces de muons cosmiques vues par un premier prototype de 4t, opéré en 2017 au CERN. La technologie DLArTPC est une variante de la technologie LArTPC permettant une amplification des électrons extraits de la phase liquide à la phase gazeuse. Les amplificateurs d'électrons (LEMs) sont des plaques de PCB de 50x50cm² épais de 1mm, percés de 400k trous de 500 microns de diamètre, recouvertes de chaque côté par une mince couche de cuivre. Une différence de potentiel de l'ordre de 3kv permet d'atteindre un gain supérieur à 10. Une partie du travail de cette thèse a consisté à simuler la dérive des électrons à travers ces LEMs afin d'étudier les efficacités de collection de charge. Une autre partie de cette thèse a consisté à mesurer les caractéristiques importantes (épaisseur, tenue en tension) des amplificateurs destinés au démonstrateur de 300t de WA105, dont la mise en route a été effectuée fin août 2019 au CERN. Le gain est une des caractéristiques principales d'une DLArTPC, et il a été étudié dans le prototype de 4t grâce à la détection de muons cosmiques. Des comparaisons sont effectuées avec les résultats d'un prototype de 3L datant de 2014, et un programme de reconstruction de trace dédié a été développé pour traiter certains événements bruités. Le travail effectué dans cette thèse a permis de mieux comprendre le fonctionnement des DLArTPCs, notamment en ce qui concerne l'aspect multiplication et dérive des électrons. Ces connaissances seront importantes lors de l'opération du démonstrateur de 300t au CERN, ainsi que lors de l'exploitation du module DLArTPC de DUνE
The WA105/ProtoDUνE-DP project is a prototyping experiment which goal is to test the Double Phase Liquid Argon Time Projection Chamber (DLArTPC) technology at large scale, to use it in the future neutrinos physics experiment DUνE. Scheduled for the end of 2026 in the USA, DUνE aims at measuring the neutrinos mass ordering and the leptonic CP symetry violation. The first part of this thesis is dedicated to tests and simulations of the detection and amplification elements of the WA105 detectors. The second part is focused on the analysis of cosmic muon tracks seen by a first prototype of 4t, operated at CERN in 2017. The DLArTPC technology is a variation of the LArTPC technology allowing for the amplification of the electrons extracted from the liquid phase to the gas phase. The Large Electron Amplifiers (LEMs) are 50x50cm² PCB plates with a thickness of 1mm, pierced by 400k holes of 500 microns diameter, covered on each side by a thin layer of copper giving a gain superior to 10. Part of this thesis work is about the simulation of electrons drifting through those LEMs to study the charge collection efficiencies. Another part of this thesis is about the measurement of important caracteristics (thickness, voltage stability) of the LEMs that are used in the 300t demonstrator of WA105, which commissionning was done in the end of August 2019. The gain is one of the main caracteristics of a DLArTPC, and it has been studied in the 4t prototype by detecting cosmic muons. Comparisons are done with previous results from 2014 from a smaller prototype of 3L, and a dedicated reconstruction program was created to analyse noisy events. The work done in the thesis allowed for a better understanding of DALrTPCs, mainly on the multiplication and drift of electrons. This knowledge will be important during the operation of the 300t demonstrator at CERN, and during the operationg of the DLArTPC module of DUνE

Cette thèse est consacrée à la mesure de l'apparition du neutrino électronique avec l'expérience T2K. T2K est une expérience pour la mesure des oscillations de neutrinos installée au Japon. Le faisceau de neutrinos est produit par un accélérateur à JPARC et les neutrinos sont observés avant l'oscillation dans un détecteur proche, ND280, et après l'oscillation dans un détecteur lointain, SuperKamiokande. L'objectif de cette thèse est la mesure, avec le détecteur proche, de la composante intrinsèque de neutrinos électroniques dans le faisceau. Les TPC constituent le détecteur principal utilisé pour cette mesure. La première partie de la thèse décrit la méthode utilisée pour l'identification des particules (PID) : la méthode est basée sur la mesure de la moyenne tronquée de la charge déposée par les particules traversant le milieu gazeux. Les capacités de PID des TPC ont été testées avec des données en faisceau prises à TRIUMF avec un faisceau composé d'électrons, muons et pions ayant une impulsion jusqu'à 400 MeV. L'analyse de ces données confirme que la résolution sur l'énergie déposée dans la TPC est de l'ordre de 7%. Avec les premières données de l'expérience T2K une première mesure de la composante de neutrinos électroniques a été faite. Pour effectuer l'analyse, interactions de neutrinos dans ND280 ont été sélectionnées : cet échantillon est principalement composé par des interactions de neutrinos muoniques car les neutrinos électroniques sont de l'ordre de 1 % du nombre total de neutrinos dans le faisceau. La sélection avec le PID des neutrinos électroniques et muoniques, a permis une première mesure de la composante des neutrinos électroniques dans le faisceau de T2K
This thesis is devoted to the measurement of the electron neutrino appearance with the T2K experiment. T2K is a long baseline neutrino oscillation experiment that is taking data in Japan. The neutrino beam is produced by an accelerator in JPARC and neutrinos are observed in a Near Detector, ND280, before the oscillation and in the far detector, SuperKamiokande, after the oscillation. The aim of this thesis is the measurement of the intrinsic electron neutrino component of the beam with the Near Detector. The main detector used in this measurement is the ND280 TPC. The first part of the thesis describes the method developed for the particle identification in the TPCs: the PID method is based on the measurement of the truncated mean of the charge deposited by the particles crossing the gas. The PID capabilities of the TPCs have been tested analyzing the beam test data: these data have been taken at TRIUMF where we had a beam composed by electrons, muons and pions with momenta up to 400 MeV/c: the analysis of these data confirmed that the resolution on the deposited energy in the TPCs was of the order of 7%. When the first data of the T2K experiment were available, a first measurement of the electron neutrino component in the near detector has been done. To perform the analysis, a sample of neutrino interactions in ND280 was selected: this sample was mainly composed by muon neutrino interactions as the electron neutrino is expected to be 1 % of the total number of neutrinos in the beam. The selection of both, electron and muon neutrinos, allowed a first measurement of the electron neutrino component in the T2K beam

Grâce à leur excellente imagerie 3D couplée à des données calorimétriques de haute résolution, les 4 chambres à projection temporelle à argon liquide, de 10 kt chacune, de la future expérience DUNE vont pouvoir mesurer avec une grande précision les paramètres d’oscillation mais également observer pour la première fois la violation CP dans le secteur leptonique. Un ou plusieurs de ces 4 modules serait susceptible d’utiliser la technologique double-phase, s’appuyant sur l’extraction de la charge produite dans le volume d’argon liquide et sa multiplication dans la partie gazeuse, qui permettra d’avoir une meilleures granularité ainsi qu’une meilleure résolution en énergie. Cette thèse présente les stratégies de simulation et reconstruction de particules chargées dans le cadre de la chambre à projection temporelle double-phase de l’expérience DUNE avec sa validation préliminaire à l’aide des données de rayons cosmiques recueillies par le prototype 4 t du CERN
The 4 10 kt Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr-TPCs) of the future DUNE experiment will enable precise measurements of the oscillation parameters and the discovery of CP violation for leptons, thanks to their excellent 3D imaging capabilities coupled with a high resolution calorimeter. One or more modules of the DUNE detector may exploit a dual phase (DP) LAr-TPC that, relying on the extraction of the charge produced in the liquid volume and its subsequent multiplication in argon gas, will increase the expected granularity and energy resolution. This thesis work present the simulation and reconstruction strategies of charged particles in a dual-phase LArTPC in the context of the DUNE experiment and its preliminary validation using cosmic ray data from the CERN 4 t demonstrator

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les interactions des particules sub-atomiques à travers les interactions fortes, faibles et électromagnétiques.Toutefois, il est clair que cette théorie ne constitue pas une description complète de la Nature. Mais le fait expérimental que les neutrinos changent de saveur au cours de leur propagation(oscillation des neutrinos) implique qu'ils ont une masse non nulle. Le travail de cette thèse se concentre sur l'expérience d'oscillation T2K : une expérience à longue ligne de base installée au Japon. % qui est détaillés dans le Chapitre 2. Pour la première fois T2K a pu observer l'apparition de neutrinos de saveur électronique dans le faisceau principalement composé de neutrinos muoniques etobtenir les premières contraintes sur la violation de la symétrie Charge-Parité. Il permet également de mesurer précisément les paramètres d'oscillations θ₁₃ , θ₂ ₃ et Δm²₂ ₃ .Cela nécessite une excellente compréhension du détecteur et des modèles d'interactions des neutrinos. Cette thèse se concentre sur ces deux objectifs : réduire les systématiques liées audétecteur et approfondir nos connaissances sur l'interaction des neutrinos avec la matière.Le groupe CEA, dans lequel je suis impliqué, est responsable de la maintenance et de l'opération des Chambres à Projections Temporelles (TPC) du détecteur proche (ND280).Elles permettent l'identification des particules chargées produites par l'interaction des neutrinos dans le detecteur et la mesure de leur impulsion.Une partie de mon travail a consisté en l'étude des TPCs et en particulier de l'alignement des modules MicroMegas installés sur les plans de lecture. En effet tout défaut d'alignement entre différents modules peut causer un biais sur la mesure del'impulsion des particules traversant la TPC. Les neutrinos sont étudiés grâce à l'observation de l'état final de leur interaction avec la matière. Les modèles d'interactions doivent alors être parfaitement bien compris,car les expériences d'oscillation présentes et futures approchent d'une phase où notre connnaissance des interactionsdes neutrinos devient un facteur limitant pour la détermination des paramètres d'oscillations. L'interaction quasi élastique par courant chargé (CCQE) est le processus dominant pour T2K. Ce manuscrit décrit la mesure durapport des sections efficaces d'interaction des neutrinos sur les noyaux de Carbone et d'Oxygène. Cette mesure contribue à la réduction des incertitudes pour l'analyse d'oscillation, liéesà l'utilisation d'une différente cible pour le détecteur proche et le détecteur lointain
The Standard Model of particle physics describes the interactions of subatomic particles through the strong, weak and electromagneticinteractions. However, it is known that this theory is not a complete description of the nature. Indeed the observation that neutrinos can change their flavor alongtheir propagation path (neutrino oscillation) proves that they actually have a mass. The work of this thesis has been performed in the T2K oscillation experiment: a long baseline experiment located in Japan. % detailed in Chapter ref{sec_t2k_res}.Using the data collected so far, T2K has been able to observe for the first time the $nu_{mu} rightarrow nu_e$ appearance and to give first results on the Charge-Paritysimmetry in neutrino oscillation. It provides also precise measurements of the oscillation parameters θ₁₃ , θ₂ ₃, Δm²₂ ₃.The precise measurement of oscillation parameters requires a good understanding of the detector and of the neutrino interaction model. This thesis is thus focused on boththese aspects: reduce the detector uncertainties and improve our knowledge of neutrino interactions with matter.The CEA Saclay group where I am involved, is in charge of the maintenance and operation of the Time Projection Chambers (TPCs) of the T2K near detector (ND280)which are used to identify and measure the kinematics of the charged particles produced in neutrino interactions.Part of my work was focused on the study of the TPC and in particular on the alignment of the MicroMegas modules instrumenting their readout planes.Indeed, misalignments between modules may cause a bias on the momentum measurement of the particles crossing the TPC.Neutrinos are studied through the observation of the final state of their interactions with matter. Therefore, the interactionmodels need to be extremely well understood to infer the neutrino properties correctly.Indeed current and next future oscillation experiments are approaching the phase of precise measurements of the mixing parameters becominglimited by our knowledge of neutrino interactions.The charged current quasi-elastic (CCQE) interaction is the most relevant process at T2K.This manuscript describes the measurement of CCQE cross-section ratio between oxygen and carbon nuclei. It can contribute to reduce the uncertainties on the oscillation analysis arisingfrom the different target between the near and far detector

Le travail de thèse se situe dans le domaine de la physique des neutrinos dans le cadre de l'expérience T2K. La thèse est divisée en deux sujets : la caractérisation des détecteurs et la préparation de l'analyse physique. Dans le contexte de la mise à niveau du détecteur proche de T2K - ND280, un modèle a été développé et utilisé pour caractériser la dispersion de charge dans le détecteur Micromegas résistif novateur (ERAM). De plus, le gain et la résolution énergétique de chaque ERAM ont été obtenus, pad par pad, pour une caractérisation complète. Les résultats ont directement conduit à la sélection d'ERAM spécifiques pour une installation à des positions spécifiques sur les plans d'anode des chambres à projection temporelle à grand angle. Au total, 37 ERAM ont été caractérisés avec succès en utilisant des données aux rayons X provenant d'un banc d'essai au CERN. Ces informations ont également été utilisées pour la reconstruction. L'amélioration des statistiques et de l'efficacité de détection des événements quasi-élastiques en courant chargé dans la région de haut Q² (transfert de moment à quatre dimensions) après la mise à niveau du ND280 a été étudiée. La question de savoir dans quelle mesure les incertitudes de haut Q² seront effectivement contraintes après la mise à niveau du ND280 par les 4 paramètres de haut Q² dans le modèle de section efficace neutrino-noyau a été abordée en utilisant les outils de re-pondération de T2K et le programme d'ajustement - GUNDAM. Une source importante des incertitudes de haut Q² est le modèle de facteur de forme axial-vecteur (dipolaire) actuellement utilisé dans le modèle de section efficace. Certains modèles alternatifs de facteur de forme qui peuvent mieux contraindre ces incertitudes ont également été étudiés. L'effet des incertitudes dans l'estimation de l'énergie de liaison des nucléons sur différentes variables (cinématique des muons, énergie des neutrinos, etc.) a été étudié. Des splines par bins ont été produites pour les 4 paramètres de l'énergie de liaison dans le modèle de section efficace dans le contexte de l'analyse des oscillations utilisant les données collectées en 2024
The PhD work is in the field of Neutrino Physics as a part of the T2K experiment. The thesis is divided into two subjects- detector characterization and preparation of physics analysis. In the context of the upgrade of T2K near detector- ND280, a model was developed and utilized to characterize the charge spreading in novel resistive Micromegas (ERAM) detector. In addition, pad-by-pad gain and energy resolution was obtained for each ERAM for a complete characterization. The results directly led to the selection of specific ERAMs for installation at specific positions in the High Angle-Time Projection Chamber anode planes for charge readout. In total, 37 ERAMs were successfully characterized using X-ray data from a test bench at CERN. This information was also used as inputs for reconstruction. Improvement in statistics and detection efficiency of charged-current quasi-elastic events in high Q² (4-momentum transfer) region after the ND280 upgrade was studied. The question of- how effectively the high Q² uncertainties will be constrained after the ND280 upgrade by the 4 high Q² parameters in the neutrino-nucleus cross-section model was addressed using T2K re-weighting tools and the ND280 fitter- GUNDAM. An important source of the high Q² uncertainties is the axial-vector form factor model (dipole) used currently in the cross-section model. Some alternative form factor models that can better constrain these uncertainties were also studied. The effect of uncertainties in nucleon removal energy estimation on different variables (muon kinematics, neutrino energy, etc.) was studied. Binned splines were produced for the 4 removal energy parameters in the cross-section model in the context of Oscillation Analysis using data collected in 2024

Le collisionneur linéaire international (ILC) est prévu pour être le prochain grand projet de la physique des hautes énergies. ILC est proposé avec deux détecteurs, International Large Detector (ILD), et Silicon Detector (SID). Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de l'ILD. L'un des principaux composants du détecteur ILD est la chambre à projection temporelle (TPC). Cette thèse se concentre sur le développement de la lecture de la TPC, basée sur l'intégration des détecteurs de gaz Micro-pattern (Micromegas) et de puces CMOS pixels ("Timepix"). Ce nouveau type de dispositif est appelé "Ingrid". Les exigences principales pour "Ingrid" sont d’atteindre la sensibilité aux électrons uniques et d’obtenir une très haute résolution spatiale (~ 30 µm). Avec une TPC, on reconstruit les traces en utilisant le profil 2D des charges sur la plaque a l’extrémité de la TPC et la troisième coordonnée est dérivée du temps de dérive. Dans le cadre de cette thèse, une mini-TPC a été construite a Saclay dans le but de tester plusieurs prototypes de détecteurs "Ingrid". En outre, un système compose de 8 puces nommé "Octopuce" a été construit pour développer des algorithmes de reconstruction de traces. Nous avons effectué plusieurs mesures à l'aide de source radioactive à Saclay. Par ailleurs, de grands modules ont été testés avec un prototype de grande TPC (LP) sur un faisceau de test à DESY. Les résultats obtenus avec deux modules différents ont été présentés et les résultats sont en bon accord avec la prédiction théorique. La présence de la matière noire fournit une bonne indication d'apparition de nouveaux phénomènes a proximité de l'échelle électrofaible, et l'hypothèse populaire d’existence des WIMP doit être testé. Comme les couplages des WIMP aux différentes espèces de particules du modèle standard sont a priori inconnus, la recherche de la production de WIMP en collisions e+e- est complémentaire à la production dans les collisions pp ou a la détection directe de WIMPs primordiaux par leur diffusion sur des nucléons. Dans ce travail, nous étudions possibilité de découverte (ou l'exclusion) de production de paires de WIMPs avec l’ILC. Dans ce processus, un unique photon est rayonne dans l'état initial et une énergie manquante est requise. Nous montrons que l’ILC peut découvrir cette signature, même si l'annihilation en paires électron-positon contribue faiblement au taux d’annihilation de la matière noire dans l'univers primordial. Nous avons traduit la sensibilité en terme d’échelles de masse pour différents types d’opérateurs effectifs et montré que la masse et les couplages des WIMPs peuvent être mesurés avec une précision de l’ordre de 1% si leur détection est avérée. En outre, des études de production de WIMPs avec l’ILC sont complémentaires aux études avec des états finaux mono-X au LHC, car ils testent le couplage WIMP-lepton. Au LHC, le couplage WIMP-proton est testé a une l'échelle de 1 TeV. Avec l’ILC, en utilisant une luminosité intégrée de 500 fb⁻¹, une énergie dans le centre de masse de √s = 500 GeV et avec des faisceau non polarisés, une limite pour l’échelle sur l'interaction de contact Λ de l’ordre de 2 TeV est accessible. De plus, les configurations de polarisation appropriées permettent d'améliorer la sensibilité pour les recherches de matière noire à l’ILC, en supposant que le couplage des paires de WIMP aux électrons et aux positons dépend du choix de l'opérateur
The International Linear Collider (ILC) is planned to be the next major project in the High Energy Physics. ILC is proposed to have two detectors, namely International Large Detector (ILD), and Silicon Detector (SiD). This thesis is done in the framework of the ILD. One of the main components of the ILD detector is the Time Projection Chamber (TPC). This PhD thesis concentrates on the development of TPC readout, based on integration of the Micro-pattern gas detectors (Micromegas) and CMOS pixel chips ("Timepix"). This new type of device is named "InGrid". Main requirements for "InGrid" is to achieve sensitivity to single electrons and a very high spatial resolution (~30 μm). In TPC one reconstructs tracks using 2D-charge profile on the TPC endplate and the third coordinate is derived from the drift time information. In Saclay mini-TPC was built. Using this mini-TPC, several prototype "Ingrid" detectors have been tested in the course of this PhD. In addition, 8-chips system named “Octopuce” was built to develop track reconstruction algorithms. We have performed several measurements using laboratory radioactive source in Saclay. In addition, the large modules were tested at a Large TPC Prototype (LP) in a test beam area at DESY. Results with two different modules were presented. Obtained results well agreed with theoretical prediction. The existence of Dark Matter provides a strong indication for the appearance of new phenomena near the electroweak scale, and the popular WIMP hypothesis is out there to be tested. Since the couplings of WIMPs to different species of Standard Model particles are a priori unknown, the investigation of WIMP production in e+e- collisions is fundamentally complementary to production in pp collisions or direct detection of primordial WIMPs scattering on nucleons. In this work we investigate the discovery (or exclusion) reach of the ILC based on the production of a pair of WIMPs, which recoils against an energetic photon from initial state radiation. We show that the ILC can discover this signature even if annihilation to electrons provides only a small fraction of the total dark matter annihilation rate in the early universe. We translated the sensitivity into mass scales of various effective operators and showed that the WIMPs mass and couplings can be measured at the percent level in case of an observation. Furthermore, WIMPs studies on ILC are complementary to current LHC in the mono-X final states, because they test WIMP-lepton coupling. LHC studies WIMP-proton coupling at the scale of 1 TeV. ILC could reach limits up to 2 TeV on the contact interaction scale Λ for the vector operator by using an integrated luminosity at 500 fb⁻¹, at the center-of-mass √s = 500 GeV with unpolarized beams. Moreover, proper polarization configurations allows to improve sensitivity for the Dark Matter searches at the ILC, assuming WIMPs pair couple differently to electron and positron for different operators

La physique des neutrinos est un des domaines les plus actifs de la physique des hautes énergies, et les oscillations de neutrinos ouvrent une voie privilégiée à une physique au delà du modèle standard. La mesure de l'ensemble des angles de mélange comme étant non-nuls offrent la possibilité d'étudier une possible violation de la symétrie CP dans le secteur leptonique. L'expérience T2K, située au Japon, a pour objet l'étude de ces oscillations de neutrinos dans le faisceau de neutrinos et d'anti-neutrinos muoniques à J-PARC. Deux canaux dont ainsi à l'étude : la disparition des (anti-)neutrinos muoniques du faisceau et l'apparition d'(anti-)neutrinos électroniques 295km plus loin dans le détecteur Super-Kamiokande. La mesure des paramètres d'oscillations passe par une mesure du nombre d'évènements dans le détecteur, et nécessite une bonne modélisation du flux et du taux d'interaction des neutrinos. Ces modèles sont contraints avant oscillation dans un détecteur proche, ND280, permettant de fortement réduire les incertitudes systématiques associées. T2K est ainsi la première expérience à présenter des indices d'une violation de CP dans le secteur leptonique avec une exclusion à 2 sigma de la conservation de CP. Afin d'améliorer cette contrainte une deuxième phase de l'expérience est proposée avec notamment une mise à niveau du détecteur proche afin de réduire l'impact des incertitudes systématiques sur les modèles de section efficace
Neutrino physics is currently one of the most rich areas of high-energy physics, and neutrino oscillations in particular are opening the door to a new physics, beyond the standard model. In this context, the measurement of all mixing angles as non-zero offers the possibility of studying a possible violation of CP symmetry in the leptonic sector. The purpose of the T2K experiment, located in Japan, is to study these neutrino oscillations in the muon neutrino and anti-neutrino beam at J-PARC. The purpose of the T2K experiment, located in Japan, is to study these neutrino oscillations in the muon neutrino and anti-neutrino beam at J-PARC. Two channels thus studied: the disappearance of the muon (anti-) neutrinos of the beam and the appearance of (anti-) electronic neutrinos 295km further in the detector Super-Kamiokande. The measurement of the oscillation parameters involves a measurement of the number of events in the far detector, and requires a good modeling of the neutrino flux and interaction rate. These models are constrained before oscillation in a near detector, ND280, helping to greatly reduce the associated systematic uncertainties. T2K is the first experiment to show evidence of CP violation in the leptonic sector with a 2 sigma CL exclusion of CP conservation. In order to improve this constraint, a second phase of the experiment is proposed with an upgrade of the near detector in order to reduce the impact of systematic uncertainties on the cross section models

L’Univers est principalement constitué d’un ensemble d’éléments non baryoniques et non lumineux appelé la matière noire. L’un des candidats actuellement favorisés est une particule massive interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP) issue du Big Bang. Le programme DarkSide vise à la détection directe de WIMPs à l’aide d’une chambre à projection temporelle utilisant de l’argon liquide en double phase. La première étape de l’expérience, DarkSide-50 ( (46 ± 0,7) kg de masse active) est en cours d’exécution. Une première campagne, avec un remplissage d’argon atmosphérique(AAr), a produit la meilleure limite sur la section efficace WIMP-nucleon jamais obtenue par une expérience à base d’argon. La deuxième phase, avec un remplissage d’argon souterrain (UAr, appauvri en Ar-39), représente une étape importante vers la construction de DarkSide-20k, une expérience à bas bruit de fond avec une masse fiducielle de 20 t. Ce travail est principalement consacré à la description de la simulation Monte Carlo de DarkSide (G4DS), et à ses applications. G4DS, basé sur GEANT4, fournit la description géométrique de chaque détecteur du programme DarkSide ; il a été calibré afin de reproduire la réponse de DarkSide-50 avec une précision de l’ordre de 1 % et intègre un modèle spécifiquement développé pour la description des mécanismes d’ionisation et de scintillation dans l’argon liquide, étalonné sur des données expérimentales. Les principales applications de la simulation comprennent l’estimation du bruit de fond dû aux neutrons et gammas pour DarkSide-50, la mesure du facteur d’appauvrissement de l’Ar-39 en UAr par rapport à l’AAr et les études de conception pour DarkSide-20k
A wide range of observational evidence suggests that the matter content of the Universe is dominated by a non-baryonic and non-luminous component: dark matter. One of the most favored candidate for dark matter is a big-bang relic population of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). The DarkSide program aims to the direct detection of WIMPs with a dual-phase liquid argon TPC and a background free exposure. The first phase of the experiment, DarkSide-50, is running since Oct 2013 and has (46 ± 0.7) kg active mass. A first run, with an atmospheric argon fill (AAr), provided the most sensitive limit ever obtained by an argon-based experiment. The current run, with an underground argon fill (UAr, depleted in Ar-39), represents a milestone towards the construction of DarkSide-20k, a low-background dual-phase TPC with a fiducial mass of 20 t. This work is been mainly devoted to the description of G4DS, the DarkSide Monte Carlo simulation, and to its applications. G4DS is a GEANT4-based simulation, it provides the geometry description of each detector of the DarkSide program, it is tuned to reproduce the DarkSide-50 response at the percent level and incorporates a custom model for ionization and scintillation mechanisms in liquid argon, tuned on real data. The principal applications of the simulation include the estimate of the neutron and gamma backgrounds for DarkSide-50, the measurement of the Ar-39 depletion factor in UAr with respect to AAr and the design studies for DarkSide-20k

L’expérience Double Chooz étudie les anti-neutrinos électroniques provenant de réacteurs nucléaires pour mesurer le paramètre de mélange θ13 dans le phénomène d’oscillation des neutrinos. Deux détecteurs souterrains identiques sont placés à différentes distances des réacteurs de la centrale de Chooz dans les Ardennes. Le Détecteur Lointain est entré en service en avril 2011, et le Détecteur Proche en janvier 2015. Cette thèse présente une analyse des phases simple et double détecteurs de l’expérience. Les neutrinos sont détectés par désintégration β inverse dans Double Chooz, où un positron et un neutron sont émis, créant deux signaux coïncidents. Différentes analyses ont été menées sur des échantillons dans lesquels le neutron capture sur un atome de gadolinium ou d’hydrogène. Une analyse jointe des deux captures est également présentée. Les bruits de fond proviennent de la radioactivité ambiante et des muons atmosphériques (émetteurs (β-n), neutrons rapides et muons s’arrêtant et se désintégrant dans le détecteur). Cette thèse se focalise sur le développement de techniques pour réduire le bruit de fond lié aux muons se désintégrant dans le détecteur. Avec l’aide de collègues de l’APC et du MIT, un TPC à neutrons a été installé dans les deux laboratoires souterrains à Chooz. Cette chambre à projection temporelle, appelée DCTPC, remplie d’un mélange hélium/CF4 mesure le flux, le spectre en énergie, et la direction des neutrons rapides dans les deux laboratoires avec des blindages différents (respectivement 150 et 300 mètres équivalents d’eau pour le Laboratoire Proche et Lointain)
Double Chooz is a reactor anti-neutrino experiment which measures the θ13 mixing parameter in the neutrino oscillation phenomenon thanks to two identical underground detectors located at different distances from the two reactors of the Chooz nuclear power plant in the French Ardennes. The Far Detector started data taking in April 2011 and the Near Detector began operations in January 2015. This thesis presents an analysis of both the single- and twodetector phases. Neutrinos interact in Double Chooz through inverse β decay on protons, where positron and a neutron are emitted, creating two coincident signals. Analyses were performed for each detector on independent samples using the neutron capture on Gadolinium or on Hydrogen. A combined analysis, using both neutron captures is also presented. Backgrounds to the neutrino sample originate from the ambient radioactivity and the abundance of atmospheric muons (cosmogenic (β-n) emitters, fast neutron showers, and muons stopping and decaying inside the detector). This thesis focuses on developing techniques for measuring and reducing the Stopping Muon background. With colleagues from APC and MIT, a 60 litre neutron TPC was installed in both underground laboratories at Chooz. This low pressure He/CF4-based time projection chamber, called DCTPC, measures the flux, energy spectrum and direction of fast neutrons in both locations, with different overburdens (150 and 300 meters water equivalent for the Near and Far Laboratories respectively)

ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) est une cible active de nouvelle génération construite au GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Les cibles actives sont des cibles gazeuses où le gaz permet de détecter le passage de particules chargées selon le principe des chambres à projection temporelle (TPC). La TPC d'ACTAR est formée d'une anode segmentée de 16384 pixels carrés de 2 mm de côté. La haute densité de voies est gérée par le système électronique GET (General Electronics for TPCs). Ce système digitalise également les signaux sur un intervalle de temps donné, pour une reconstruction 3D complète des évènements. Un démonstrateur huit fois plus petit a d'abord été construit pour vérifier le fonctionnement de l’électronique et la conception mécanique. La finalisation d’ACTAR TPC s’est basée sur les résultats du démonstrateur, qui a été testé avec des faisceaux de 6Li, de 24Mg et de 58Ni. Le commissioning d'ACTAR TPC a été effectué dans le cas de la diffusion résonante sur cible de protons avec des faisceaux de 18O et de 20Ne.Un algorithme de reconstruction des traces mesurées dans la TPC permet d'en extraire les angles et les énergies des ions impliqués dans les réactions. Les résultats sont comparés à des données connues pour déterminer les performances du système de détection. Les résolutions obtenues sur le commissioning à partir de calculs en matrice R valident l'utilisation d'ACTAR TPC pour de futures expériences. Par ailleurs, la diffusion résonante 6Li + 4He réalisée avec le démonstrateur a permis d'étudier les états d’agrégat alpha dans le 10B. Deux résonances à 8.58 MeV et 9.52 MeV sont observées pour la première fois en diffusion élastique dans cette voie de réaction
ACTAR TPC (ACtive TARget and Time Projection Chamber) is a next generation active target that was designed and built at GANIL (Grand Accélérateur d'Ions Lourds). Active targets are gaseous targets in which the gas is also used to track charged particles following the principles of time projection chambers (TPC). The TPC of ACTAR has a segmented anode of 16384 2 mm side square pixels. The high density of pixels is processed using the GET (General Electronics for TPCs) electronic system. This system also digitizes the signals over a time interval, enabling a full 3D event reconstruction. An eight time smaller demonstrator was first built to verify the electronics operation and the mechanical design. ACTAR TPC's final design was based on results obtained with the demonstrator which was tested using 6Li, 24Mg and 58Ni beams. The commissioning of ACTAR TPC was then carried out for the case of resonant scattering on a proton target using 18O and 20Ne beams. A track reconstruction algorithm is used to extract the angles and energies of the ions involved in the reactions. Results are compared to previous data to determine the detection system performances. Comparing the commissioning data with R matrix calculations, excitation functions resolutions in different cases are obtained. The use of ACTAR TPC is validated for future experiments. Furthermore, alpha clustering was studied in 10B through the resonant scattering 6Li + 4He, carried out with the demonstrator. Two resonances at 8.58 MeV and 9.52 MeV are observed for the first time in elastic scattering with this reaction channel

Le détecteur proportionnel sphérique gazeux, SPC (Spherical Proportional Counter), est un nouveau concept de détecteur de particules. Ses principales caractéristiques sont : un seuil très bas en énergie indépendant du volume (faible capacité électronique), une bonne résolution en énergie, une grande robustesse et une seule voie de lecture. SEDINE, un détecteur bas bruit de fond, destiné à la recherche de matière noire légère, a été fabriqué et installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Il est actuellement opérationnel et vise à mesurer les évènements rares à bas seuil en énergie. La sensibilité dans la détection d’événements rares étant à basse énergie directement corrélée au niveau du bruit de fond du détecteur, la diminution du seuil en énergie ainsi que celle du bruit de fond ont été la problématique principale de cette thèse. Un effort important a été consacré à la mise en opération du dispositif expérimental. Plusieurs paramètres de détection ont été optimisés : homogénéité du champ électrique dans le volume de l’enceinte, tenue aux étincelles, niveau du bruit de fond électronique et l’étanchéité du détecteur. Le détecteur a été optimisé pour assurer un fonctionnement avec un gain stable à haute pression. La modification du blindage, les nettoyages de l’enceinte du détecteur et l’ajout d’une tente anti-Radon ont permis de réduire significativement le bruit de fond de SEDINE. Les progrès accomplis ont permis d’augmenter la sensibilité du détecteur à basse énergie à une valeur comparable, pour des WIMPs à basse masse, aux autres expériences de recherche souterraines. Nous présentons donc des résultats avec un bruit de fond mesuré, dans la région du keV, qui nous permet de donner une figure d’exclusion compétitive pour la production de la matière noire légère
The Spherical gaseous detector (or Spherical Proportional Counter, SPC) is a novel type of a particle detector, with a broad range of applications. Its main features in- clude a very low energy threshold which is independent of the volume (due to its very low capacitance), a good energy resolution, robustness and a single detection readout channel. SEDINE, a low background detector installed at the underground site of Laboratoire Souterrain de Modane is currently being operated and aims at measuring events at a very low energy threshold, around 40 eV. The sensitivity for the rare events detection at low energy is correlated to the detector background and to the decreasing the level of energy threshold, which was the main point of this thesis. A major effort has been devoted to the operating of the experimental detector. Several detection parameters were optimized: the electric field homogeneity in the sphere, keeping clear of sparks, the electronic noise level and the leak rate of the detector. The detector is optimized for operation with a high pressure stable gain. The modification of the shield, cleanings of the detector and the addition of an anti-Radon tent have significantly reduced the background of SEDINE. Progress has increased the sensitivity of the detector at low energy up to a value comparable to the results other underground research experiences for the low mass WIMPs. We will present the results with a measured background in the region of keV, which has allowed us to show a competitive figure of exclusion for the production of light dark matter

L'étude des résonances géantes monopolaires isoscalaires (ISGMR) et des résonances géantes quadrupolaires isoscalaires (ISGQR) dans les noyaux stables, a permis d'obtenir ces dernières décennies des informations fondamentales sur la structure et la matière nucléaire. En particulier, le centroïde de la ISGMR peut être relié au module d'incompressibilité de la matière nucléaire infinie. Des données dans les noyaux exotiques nous aideraient à contraindre ce module d'incompressibilité. Dans les noyaux instables, une seule mesure a, à l'heure actuelle, été réalisée (56Ni). Afin d'étudier l'évolution de la ISGMR et de la ISGQR le long d'une chaîne isotopique, des mesures dans un noyau exotique riche en neutrons sont donc nécessaires.L'expérience étudiée dans cette thèse a été réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) à Caen en septembre 2010. Un faisceau de 68Ni à 50 AMeV et d'une intensité de 10^4 pps a été produit et purifié sur la ligne LISE. Les réactions de diffusion inélastique de particules alpha (alpha, alpha') et de deutons (d,d') sur 68Ni en cinématique inverse ont été étudiées avec la cible active Maya. Il s'agit de la première mesure de la ISGMR et de la ISGQR dans un noyau instable riche en neutrons.Pour chaque expérience, le spectre en énergie d'excitation a été reconstruit et les distributions angulaires étudiées par deux méthodes indépendantes. Les sections efficaces expérimentales ont été comparées à celles issues de calculs DWBA utilisant des densités de transition RPA. L'analyse en (alpha, alpha') a permis l'observation d'une ISGMR fragmentée avec un épaulement à 21.1+/-0.6 MeV, d'une ISGQR concentrée à 16.9+/-0.8 MeV qui épuise 61+/-17% de la règle de somme pondérée en énergie (EWSR). De plus, un mode " soft GMR ", prédit mais jamais observé, a été identifié à 13.4+/-0.5 MeV. Tous ces résultats sont confirmés par l'analyse en (d,d'), à l'exception de l'observation de la ISGQR pour laquelle les conditions de fonctionnement n'étaient pas favorables.

Le détecteur MINOS a été développé jusqu'à mi-2013 pour la spectroscopie γ prompte de noyaux très exotiques à partir de réactions d’arrachage de protons. Il est composé d'une cible épaisse d'hydrogène liquide pour augmenter la luminosité et d’une chambre à projection temporelle (TPC) pour reconstruire la position du vertex de réaction et de compenser l'effet de la cible épaisse sur la correction Doppler.La chambre à projection temporelle a été développée avec l'expertise du CEA-Irfu sur les détecteurs gazeux de type Micromegas. Dans un premier temps, différentes solutions pour la TPC ont été testées dans une chambre d'essai avec une source α et des mesures de rayons cosmiques. Des muons cosmiques ont été détectés pour la première fois en utilisant la chambre d'essai en début 2013 et ont validé l'utilisation d'un plan de détection Micromegas. Le premier prototype de TPC a été achevé en mai 2013 et nous avons utilisé un banc de rayons cosmiques pour estimer l’efficacité de la TPC.MINOS a ensuite été expédié au Japon et un test de performance sous faisceau a été réalisée à l'installation médicale HIMAC (Chiba, Japon) avec deux cibles minces au lieu de la cible épaisse d'hydrogène pour valider l'algorithme de reconstruction et la résolution de la position du vertex. Un algorithme de reconstruction de traces basé sur la transformée de Hough a été mis au point pour l'analyse des données, testé avec ces données, et comparé à des simulations.La première campagne de physique avec MINOS a eu lieu en mai 2014, avec SEASTAR. Elle s’est concentrée sur la première spectroscopie des ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe et ⁷⁸Ni. L'analyse de la spectroscopie du ⁶ ⁶Cr a révélé deux transitions, assignées aux deux premiers états excités. Une interprétation avec des calculs de modèle en couches montre que le maximum de collectivité quadripolaire se produit à N = 40 le long de la chaîne isotopique de chrome.Le ⁶ ⁶Cr est toujours placé dans la région de l’Îlot d’Inversion à N = 40 et les calculs de modèle en couches ainsi que la comparaison avec des calculs basés sur HFB suggèrent une extension de cet Îlot d’Inversion vers N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni. L'analyse des ⁷⁰,⁷²Fe effectuée par C. Louchart (TU Darmstadt, Allemagne) révèle la même tendance que pour les isotopes de chrome. Les données et notre interprétation par le modèle en couches suggère une grande collectivité les Cr et Fe riches en neutrons, éventuellement jusqu'à N = 50, ce qui remettrait en cause la solidité de la fermeture de couche N = 50 en dessous du ⁷⁸Ni
The MINOS device has been developed until mid-2013 for in-beam γ spectroscopy of very exotic nuclei from proton knockout reactions. It is composed of a thick liquid hydrogen target to achieve higher luminosities and a Time Projection Chamber (TPC) to reconstruct the vertex position and compensate for the thick target effect on the Doppler correction.The Time Projection Chamber has been developed with the expertise of CEA-IRFU in gas detectors and Micromegas detectors. At first, different solutions for the TPC were tested in a test chamber with an α source and cosmic-ray measurements. Cosmic rays were detected for the first time using the test chamber in early 2013 and validated the use of a Micromegas detection plane. The first TPC prototype was finished in May 2013, and we used a cosmic-ray bench to estimate the effiiciency of the TPC. The MINOS device was then shipped to Japan and an in-beam performance test was performed at the HIMAC medical facility (Chiba, Japan) with two thin targets instead of the thick hydrogen target to validate the tracking algorithm and the vertex position resolution. A tracking algorithm for the offline analysis based on the Hough transform has been developed, tested with the data, and compared with simulations.The first physics campaign using MINOS took place in May 2014 with SEASTAR. It focused on the first spectroscopy of ⁶ ⁶ Cr, ⁷⁰,⁷²Fe, and ⁷⁸Ni. The analysis of the ⁶⁶Cr spectroscopy revealed two transitions, assigned to the two first excited states. An interpretation with shell model calculations shows that the maximum of quadrupole collectivity occurs at N=40 along the Cr isotopic chain.⁶⁶Cr is still placed in the Island of Inversion region of N=40 and the shell model calculations as well as comparison with HFB-based calculations suggest an extension of this Island of Inversion towards N=50 below ⁷⁸Ni. The analysis of ⁷⁰,⁷²Fe performed by C. Louchart (TU Darmstadt, Germany) reveals the same trend as for Cr isotopes, with a maximum of deformation at N=42. The full data set and our shell-model interpretation suggests a large collectivity for neutron-rich Cr and Fe, possibly up to N=50, questioning the robustness of the N=50 shell closure below ⁷⁸Ni