Galaxy clusters are the most massive bound systems known in the Universe and are believed to have formed through large scale structure formation. They host relativistic cosmic-ray (CR) populations and are gravitationally bound by large amounts of Dark Matter (DM), both providing conditions in which high-energy gamma rays may be produced either via CR interactions with the intracluster medium or through the annihilation or decay of DM particles. Prior to the launch of the Fermi satellite, predictions were optimistic that these sources would be established as γ-ray-bright objects by observations through its prime instrument, the Large Area Telescope (LAT). Yet, despite numerous efforts, even a single firm cluster detection is still pending. This thesis presents a number of studies based on data taken by the LAT over its now seven year mission aiming to discover these γ rays. Using a joint likelihood technique, we study the γ-ray spectra of a sample of nearby clusters searching for a CR-induced signal due to hadronic interactions in the intracluster medium. While we find excesses in some individual targets, we attribute none to the cluster. Hence, we constrain the maximum injection efficiency of hadrons being accelerated in structure formation shocks and the fraction of CR-to-thermal pressure. We also perform a refined search targeting the Coma cluster specifically due to its large variety of existing observations in other wavebands. In the latter case we find weak indications of an excess which however falls below the detection threshold. Because the cluster emission we consider is inherently extended, we need to take into account the imperfect modeling of the foreground emission, which may be particularly difficult such as is the case with the Virgo cluster. Here, we assess the systematics associated with the foreground uncertainties and derive limits based on an improved background model of the region. For the first time we derive limits on the γ-ray flux from CR and DM-interactions in which we take into account the dynamical state of the system. For DM we also include the contribution from substructure. The DM domain is further explored by searching for line-like features as they arise from the annihilation of DM into two photons in a large sample of clusters, including Virgo and Coma. Finding no evidence for γ-ray lines, we derive limits on the DM annihilation cross section that are roughly a factor 10 (100) above that derived from observations of the galactic center assuming an optimistic (conservative) scenario regarding the boost due to DM substructure. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 4: Submitted.</p>

L'étude précise des transitions β de Fermi super-permises 0+ → 0+ offre un outil précieux pour explorer les propriétés de l'interaction faible dans le cadre du Modèle Standard (SM). Collectivement, les forces (ft) mesurées pour ces transitions permettent de vérifier l'hypothèse CVC et contribuent au test le plus rigoureux de l'unitarité de la première ligne de la matrice de mélange des quarks CKM en fournissant l'évaluation la plus précise de l'élément dominant (Vud). Jusqu'à récemment, un apparent défaut d'unitarité a semé le doute sur la validité du SM minimal et a mobilisé un effort considérable afin d'élargir le champ d'étude à d'autres émetteurs de Fermi. Le 62Ga et 38Ca sont parmi des noyaux clés pour mener ces tests de précision au travers de la vérification de la fiabilité des corrections imposées aux valeurs ft expérimentales. La décroissance β de 62Ga a été étudiée auprès du séparateur IGISOL à Jyväskylä, avec un dispositif composé de 3 Clovers EUROBALL pour la détection du rayonnement γ. La mise en évidence de raies γ de très faible intensité (<1‰), au travers de corrélations β-γ et β-γ-γ, a permis de reconstruire partiellement le schéma de niveaux excités dans le 62Zn. Le rapport d'embranchement analogue déduit (B.R.A = 99.893(24) %) est utilisé pour extraire la valeur Ft(62Ga) universelle. Celle-ci s'avère en bon accord avec les 12 valeurs précises connues de la littérature. La compatibilité constatée entre la limite supérieure dressée ici sur le terme (δ1IM) et la prédiction théorique confirme l'importance des corrections de brisure de symétrie d'isospin dans les émetteurs β (A ≥ 62). L'étude de la décroissance de 38Ca a été réalisée auprès de l'installation ISOLDE du CERN. L'utilisation de la fluoration des fragments de réaction, pour isoler chimiquement les isotopes d'intérêt, alliée au piégeage d'ions assisté par REXTRAP et l'analyse TOF, ont permis de s'affranchir totalement du contaminant contraignant 38mK. Pour la première fois, la durée de vie de 38Ca est mesurée avec un échantillon de haute pureté. Le résultat préliminaire établi T1/2(38Ca) = 445.8(10) ms améliore la précision par rapport à l'ancienne valeur d'un facteur proche de 10.

Abstract: Monte Carlo simulations were used here to compare the radiation chemistry of pure water and aqueous bromide solutions after irradiation with two different types of radiation, namely, tritium β-electrons (~7.8 keV) and [superscript 60]Co γ-rays/fast electron (~1 MeV) or high energy protons. Bromide ions (Br-) are known to be selective scavengers of hydroxyl radicals •OH precursors of hydrogen peroxide H[subscript 2]O[subscript 2]. These simulations thus allowed us to determine the yields (or G-values) of H[subscript 2]O[subscript 2] in the radiolysis of dilute aqueous bromide solutions by the two types of radiations studied, the first with low linear energy transfer (LET) (~0.3 keV/μm) and the second with high LET (~6 keV/μm) at 25 °C. This study was carried out under a wide range of Br- concentrations both in the presence and the absence of oxygen. Simulations clearly showed that irradiation by tritium β-electrons favored a clear increase in G(H[subscript 2]O[subscript 2]) compared to [superscript 60]Co γ-rays. We found that these changes could be related to differences in the initial spatial distributions of radiolytic species (i.e., the structure of the electron tracks, the low-energy β-electrons of tritium depositing their energy as cylindrical “short tracks” and the energetic Compton electrons produced by γ-radiolysis forming mainly spherical “spurs”). Moreover, simulations also showed that the presence of oxygen, a very good scavenger of hydrated electrons (e-[subscript aq]) and H• atoms on the 10[superscript-7] s time scale (i.e., before the end of spur expansion), protected H[subscript 2]O[subscript 2] from further reactions with these species in the homogeneous stage of radiolysis. This protection against e-[subscript aq] and H• atoms therefore led to an increase in the H[subscript 2]O[subscript 2] yields at long times, as seen experimentally. Finally, for both deaerated and aerated solutions, the H[subscript 2]O[subscript 2] yield in tritium β-radiolysis was found to be more easily suppressed than in the case of cobalt-60 γ-radiolysis, and interpreted by the quantitatively different chemistry between short tracks and spurs. These differences in the scavengeability of H[subscript 2]O[subscript 2] precursors in passing from low-LET [superscript 60]Co γ-ray to high-LET tritium β-electron irradiation were in good agreement with experimental data, thereby lending strong support to the picture of tritium-β radiolysis in terms of short tracks of high local LET. / Résumé: Les simulations Monte Carlo constituent une approche théorique efficace pour étudier la chimie sous rayonnement de l'eau et des solutions aqueuses. Dans ce travail, nous avons utilisé ces simulations pour comparer l’action de deux types de rayonnement, à savoir, le rayonnement γ de [indice supérieur 60]Co (électrons de Compton ~1 Me V) et les électrons β du tritium (~ 7,8 keV), sur la radiolyse de l’eau et des solutions aqueuses diluées de bromure. Les ions Br- sont connus comme d’excellents capteurs des radicaux hydroxyles •OH, précurseurs du peroxyde d’hydrogène H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2]. Les simulations Monte Carlo nous ont donc permis de déterminer les rendements (ou valeurs G) de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] à 25 °C pour les deux types de rayonnements étudiés, le premier à faible transfert d'énergie linéaire (TEL) (~0,3 keV/μm) et le second à haut TEL (~6 keV/μm). L’étude a été menée pour différentes concentrations d’ions Br-, à la fois en présence et en absence d'oxygène. Les simulations ont montré que l’irradiation par les électrons β du tritium favorisait nettement la formation de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] comparativement aux rayons γ du cobalt. Ces changements ont pu être reliés aux différences qui existent dans les distributions spatiales initiales des espèces radiolytiques (i.e., la structure des trajectoires d'électrons, les électrons β du tritium déposant leur énergie sous forme de «trajectoires courtes» de nature cylindrique, et les électrons Compton produits par la radiolyse γ formant principalement des «grappes» de géométrie plus ou moins sphérique). Les simulations ont montré également que la présence d'oxygène, capteur d’électrons hydratés et d’atomes H• sur l'échelle de temps de ~10[indice supérieur -7] s (i.e., avant la fin des grappes), protégeait H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] d’éventuelles réactions subséquentes avec ces espèces. Une telle «protection» conduit ainsi à une augmentation de G(H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2]) à temps longs. Enfin, en milieu tant désaéré qu’aéré, les rendements en H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] obtenus lors de la radiolyse par les électrons β du tritium ont été trouvés plus facilement supprimés que lors de la radiolyse γ. Ces différences dans l’efficacité de capture des précurseurs de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] ont été interprétées par les différences quantitatives dans la chimie intervenant dans les trajectoires courtes et les grappes. Un excellent accord a été obtenu avec les données expérimentales existantes.