Selected issues for the LHC luminosity upgrade

N° d'ordre : DU 1905, EDSF : 599The Large Hadron Collider started his operations of proton beams on September 10th 2008. In a realistic forecast it is supposed to demonstrate (or confute) the existence of the Higgs boson for the year 2014. After this date the physics of rare events will be explored more in details and an upgrade of the luminosity can make an important difference in the program of experiments at CERN.This thesis proposes several ideas to increase the luminosity of ATLAS and CMS experiments, the main scientific experiments of LHC. Moreover an improvement of the TOTEM experiment's acceptance is presented.The set of magnets in charge to provide the final beam focalization for the collisions is considered in order to improve the luminosity in the interaction regions. The new optical configuration are studied with the methods of beam optics and beam dynamics. These layouts are also explored from the point of view of incorporation in the existing experiments developing the analysis of energy deposition and misalignment tolerances.A new optical layout for the TOTEM experiment, based on the use of silicon crystals, is presented in the framework of an upgrade of acceptance.These studies were performed with the use of analytical methods for the general considerations and numerical methods for the parameters optimization.The results are published in original papers presented in several international conferences and workshops of luminosity upgrades.Le grand collisionneur d'hadrons (LHC) a commencé les opérations de faisceau de protons le 10 septembre 2008. Respectant le programme prévu pour les prochaines années, le LHC devrait démontrer ou réfuter l'existence du boson de Higgs de façon réaliste d'ici 2014. Après cette date il est raisonnable de prévoir l'amélioration de la luminosité de la machine pour explorer en détail la physique des événements rares.Le présent travail de thèse propose différentes idées pour augmenter la luminosité des expériences ATLAS et CMS, les deux principales expériences du programme scientifique du LHC. Une idée pour l'amélioration de l'acceptance de l'expérience TOTEM est aussi présentée. L'ensemble des aimants qui réalisent la focalisation finale du faisceau avant la collision ont été pris en considération pour augmenter la luminosité dans les zones expérimentales. Les nouvelles configurations ont été étudiées en utilisant des méthodes d'optique des accélérateurs et de dynamique des faisceaux. L'intégration des solutions a été aussi explorée en analysant les énergies déposées dans les différents éléments et les tolérances des alignements. Un nouveau schéma optique pour augmenter l'acceptance de l'expérience TOTEM utilisant les cristaux de silicium est aussi présenté. Les résultats attendus sont comparés avec les résultats actuels.Les études ont été menées en utilisant des méthodes analytiques pour les considérations générales et des méthodes numériques pour l'optimisation des paramètres.Les résultats présentés dans cette thèse ont été publiés et présentés dans différentes conférences et workshops internationaux