De nombreux arguments astrophysiques sont en faveur de l'existence de matière sombre non-baryonique dans l'Univers. Le neutralino, postulé par les extensions supersymétriques du modèle standard de la physique des particules, constitue l'un des candidats privilégiés à cette masse manquante. La détection de neutralinos peut être directe, par interaction dans le détecteur, ou indirecte, via la recherche des produits d'annihilation. Dans le cadre de la détection indirecte, le travail a été effectué au sein de la collaboration AMS dont la première phase a eu lieu en juin 1998 à bord de la navette Discovery. Le spectromètre AMS est équipé d'un détecteur Cherenkov à seuil (ATC) dont les performances ont été étudiées dans le but d'optimiser la sélection d'antiprotons. Le spectre de ces derniers peut en effet signer la présence de neutralinos. Une analyse des données antiprotons d'AMS est également présentée. Finalement, une étude phénoménologique permet d'évaluer le potentiel de découverte par cette méthode. D'autre part, cette thèse porte sur le développement d'un projet de nouveau détecteur (MACHe3) pour la détection directe de neutralinos. Il s'agit d'un bolomètre à He3 superfluide, fonctionnant à ultra-basses températures. L'analyse des données expérimentales de la cellule prototype est présentée. Afin d'optimiser la configuration du détecteur pour la détection directe, une simulation Monte Carlo a été développée, permettant d'évaluer ses performances futures. La confrontation de la simulation et des prédictions des modèles supersymétriques démontre le potentiel de découverte de MACHe3 et souligne sa complémentarité avec les détecteurs existants.

Big Bang Nucleosynthesis (BBN), together with the analyses of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies, confirm what our day to day experience of life attests : antimatter is far less present than matter in the Universe. In addition, these observables also permit to evaluate that there exists about one proton for every 10^{10} photons present in the Universe. This is in contradiction with expectations coming from the standard hot big bang, where no distinction between matter and antimatter is made, and where subsequent annihilations would lead to equal matter and antimatter contents, at a level 10^{−10} smaller than the observed one. The Standard Model of fundamental interactions fails to explain this result, leading us to search for ‘Beyond the Standard Model’ physics. Among the possible mechanism which could be responsible for the creation of such a matter asymmetry, leptogenesis is particularly attractive because it only relies on the same ingredients previously introduced to generate neutrino masses. Unfortunatelly, this elegant proposal suffers from a major difficulty : it resists to any tentative of being probed by our low energy observables. In this thesis, we tackle the problem the other way around and propose a way to falsify this mechanism. Considering the type-I leptogenesis mechanism, i.e. a mechanism based on the asymmetric decay of right-handed neutrinos, in a left-right symmetric framework, we show that the observation of a right-handed gauge boson W_R at future colliders would rule out any possibility for such mechanism to be responsible of the matter asymmetry present in our Universe. Another intriguing question that analyses of the anisotropies of the CMB confirmed is the presence of a non-baryonic component of matter in our Universe, i.e. the dark matter. As hinted by observations of galactic rotation curves, it should copiously be present in our galactic halo, but is notoriously difficult to detect directly. We can take advantage on the fact that antimatter almost disappeared from our surroundings to detect the contamination of cosmic rays from standard sources the annihilation products of dark matter would produce. The second subject tackled in this work is the study of the imprints the Inert Doublet Modem (IDM) could leave in (charged) cosmic rays, namely positrons, antprotons and antideuterons. This model, first proposed to allow the Bout-Englert-Higgs particle to evade the Electroweak Precision Test (EWPT) measurements, introduces an additional scalar doublet which is inert in the sense that it does not couple directly to fermions. This latter property brings an additional virtue to this additional doublet : since it interacts weakly with particles, it can play the role of dark matter. This study will be done in the light of the data recently released by the PAMELA, ATIC and Fermi-GLAST collaborations, which reported e^± excesses in two different energy ranges.

Le proton est un état lié de quarks qui sont maintenus ensemble par l’interaction forte dont les médiateurs sont les gluons. La compréhension de la structure du proton est actuellement l’une des questions centrales de laphysique hadronique. Le présent travail rend compte des études phénoménologiques et expérimentales reliées aux possibilités offertes par le faisceau d’antiprotons qui sera disponible au futur complexe accélérateur FAIR à Darmstadt, dans la gamme d’impulsion entre 1.5 et 15 GeV/c. Après une classification des réactions qui sont accessibles dans l’annihilation proton-antiproton, les caractéristiques principales du détecteur PANDA sont décrites. Un chapitre de cette thèse est consacré à l’étude du couplage optique entre les cristaux et les photo-diodes du calorimètre électromagnétique, qui sera exploité à basse température (-25° C). Les propriétés mécaniques, thermiques, optiques et la résistance aux radiations de deux colles commerciales sont quantifiées.Des études de faisabilité de la réaction pbarp → e+e− pour la mesure des facteurs de forme du proton dans la region temps à PANDA sont présentées. La structure électromagnétique du proton est parametrisée par ses facteurs de forme électrique GE et magnétique GM. L’interaction électromagnétique est bien décrite par la théorie de l’électrodynamique quantique. L’outil usuel pour déterminer les facteurs de forme électromagnétiques du proton est la diffusion élastique électron-proton polarisée et non polarisée, sous l’hypothèse que l’interaction se produit par l’échange d’un seul photon virtuel. La reaction croisée pbarp → e+e− permet d’accéder à la region temps. Les réactions du bruit de fond sont également étudiées, en particulier la réaction pbap → π+π−. Les résultats obtenus à partir d’une simulation Monte Carlo réaliste en utilisant le logiciel PANDARoot montre que le rapport des facteurs de forme du proton peut etre mesuré à PANDA avec une précision sans précédent. Les effets des corrections radiatives dus à l’émission de photons réels et virtuels sont considérés.Basé sur un formalisme modèle indépendant, le calcul des observables expérimentales pour la reaction pbap → e+e− est étendue à l’annihilation en une paire de leptons lourds qui porte la méme information physique sur la structure du proton que les électrons. Dans ce cas, la masse du lepton ne peut pas etre négligée. Le méme formalisme est également appliqué dans la région espace à la diffusion élastique des protons par des électrons au repos (cinématique inverse). La diffusion pe-élastique puisse etre utilisée pour polariser et/ou mesurer la polarisation des faisceaux de protons (antiprotons)de haute énergie, et elle permette également de mesurer le rayon de charge du proton. / The proton is a bound state of quarks which are held together by the strong force, mediated by gluons. The understanding of the proton structure is presently one of the central issues in hadron physics. The present work reports on phenomenological and experimental studies related to the possibilities offered by the future antiproton beam at the FAIR facility at Darmstadt, in the momentum range between 1.5 and 15 GeV/c. After a classification of the reaction channels which are accessible in antiproton-proton annihilation, the main features of the PANDA detector are described. A chapter of this thesis is dedicated to the study of the optical coupling between crystals and photodiodes in the electromagnetic calorimeter, which will be operated at low temperature (-25° C). Mechanical, thermal, optical properties and radiation hardness of two commercial glues are quantified.Feasibility studies of the reaction barp → e+e− for the Time-Like proton form factor measurements at PANDA are presented. The electromagnetic structure of the proton is parametrized in terms of electric GE and magnetic GM form factors. The electromagnetic interaction is well described by the theory of quantum electrodynamics. The traditional tool to determine proton electromagnetic form factors is polarized and unpolarized electron-proton elastic scattering, assuming that the interaction occurs through the exchange of one virtual photon. The crossed symmetry channels pbarp ↔ e+e− allowto access the Time-Like region. The background reactions are also studied, in particular the pbarp → π+π− channel. The results obtained from a realistic Monte Carlo simulation using PANDARoot show that the proton form factor ratio can be measured at PANDA with unprecedented accuracy. The effects of radiative corrections due to real and virtual photon emission are considered.Based on a model independent formalism, the calculation of the experimental observables for the pbarp → e+e− reaction is extended to the annihilation into a heavy lepton pair which carries the same physical information on the proton structure as the electrons. In this case, the lepton mass can not be neglected. The same formalism is also applied in Space-Like region to the elastic scattering of protons from electrons at rest (pe-inverse kinematics). We suggest that the elastic pe scattering can be used to polarize and/or to measure the polarization of high energy proton (antiproton) beams, and allows a precise measurement of the proton charge radius.

The proton is a bound state of quarks which are held together by the strong force, mediated by gluons. The understanding of the proton structure is presently one of the central issues in hadron physics. The present work reports on phenomenological and experimental studies related to the possibilities offered by the future antiproton beam at the FAIR facility at Darmstadt, in the momentum range between 1.5 and 15 GeV/c. After a classification of the reaction channels which are accessible in antiproton-proton annihilation, the main features of the PANDA detector are described. A chapter of this thesis is dedicated to the study of the optical coupling between crystals and photodiodes in the electromagnetic calorimeter, which will be operated at low temperature (-25° C). Mechanical, thermal, optical properties and radiation hardness of two commercial glues are quantified.Feasibility studies of the reaction barp → e+e− for the Time-Like proton form factor measurements at PANDA are presented. The electromagnetic structure of the proton is parametrized in terms of electric GE and magnetic GM form factors. The electromagnetic interaction is well described by the theory of quantum electrodynamics. The traditional tool to determine proton electromagnetic form factors is polarized and unpolarized electron-proton elastic scattering, assuming that the interaction occurs through the exchange of one virtual photon. The crossed symmetry channels pbarp ↔ e+e− allowto access the Time-Like region. The background reactions are also studied, in particular the pbarp → π+π− channel. The results obtained from a realistic Monte Carlo simulation using PANDARoot show that the proton form factor ratio can be measured at PANDA with unprecedented accuracy. The effects of radiative corrections due to real and virtual photon emission are considered.Based on a model independent formalism, the calculation of the experimental observables for the pbarp → e+e− reaction is extended to the annihilation into a heavy lepton pair which carries the same physical information on the proton structure as the electrons. In this case, the lepton mass can not be neglected. The same formalism is also applied in Space-Like region to the elastic scattering of protons from electrons at rest (pe-inverse kinematics). We suggest that the elastic pe scattering can be used to polarize and/or to measure the polarization of high energy proton (antiproton) beams, and allows a precise measurement of the proton charge radius.

Big Bang Nucleosynthesis (BBN), together with the analyses of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies, confirm what our day to day experience of life attests :antimatter is far less present than matter in the Universe. In addition, these observables also permit to evaluate that there exists about one proton for every 10^{10} photons present in the Universe. This is in contradiction with expectations coming from the standard hot big bang, where no distinction between matter and antimatter is made, and where subsequent annihilations would lead to equal matter and antimatter contents, at a level 10^{−10} smaller than the observed one. The Standard Model of fundamental interactions fails to explain this result, leading us to search for ‘Beyond the Standard Model’ physics.<p><p>Among the possible mechanism which could be responsible for the creation of such a matter asymmetry, leptogenesis is particularly attractive because it only relies on the same ingredients previously introduced to generate neutrino masses. Unfortunatelly, this elegant proposal suffers from a major difficulty :it resists to any tentative of being probed by our low energy observables. In this thesis, we tackle the problem the other way around and propose a way to falsify this mechanism. Considering the type-I leptogenesis mechanism, i.e. a mechanism based on the asymmetric decay of right-handed neutrinos, in a left-right symmetric framework, we show that the observation of a right-handed gauge boson W_R at future colliders would rule out any possibility for such mechanism to be responsible of the matter asymmetry present in our Universe.<p><p>Another intriguing question that analyses of the anisotropies of the CMB confirmed is the presence of a non-baryonic component of matter in our Universe, i.e. the dark matter. As hinted by observations of galactic rotation curves, it should copiously be present in our galactic halo, but is notoriously difficult to detect directly. We can take advantage on the fact that antimatter almost disappeared from our surroundings to detect the contamination of cosmic rays from standard sources the annihilation products of dark matter would produce.<p><p>The second subject tackled in this work is the study of the imprints the Inert Doublet Modem (IDM) could leave in (charged) cosmic rays, namely positrons, antprotons and antideuterons. This model, first proposed to allow the Bout-Englert-Higgs particle to evade the Electroweak Precision Test (EWPT) measurements, introduces an additional scalar doublet which is inert in the sense that it does not couple directly to fermions. This latter property brings an additional virtue to this additional doublet :since it interacts weakly with particles, it can play the role of dark matter. This study will be done in the light of the data recently released by the PAMELA, ATIC and Fermi-GLAST collaborations, which reported e^± excesses in two different energy ranges. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les preuves pour l'existence de la matière noire (MN), sous forme d'une particule inconnue qui rempli les halos galactiques, sont issues d'observations astrophysiques et cosmologiques: son effet gravitationnel est visible dans les rotations des galaxies, des amas de galaxies et dans la formation des grandes structures de l'univers. Une manifestation non-gravitationnelle de sa présence n'a pas encore été découverte. L'une des techniques les plus prometteuse est la détection indirecte de la MN, consistant à identifier des excès dans les flux de rayons cosmiques pouvant provenir de l'annihilation ou la désintégration de la MN dans le halo de la Voie Lactée. Les efforts expérimentaux actuels se focalisent principalement sur une gamme d'énergie de l'ordre du GeV au TeV, où un signal de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est attendu. L'analyse des mesures récentes et inédites des rayons cosmiques chargés (antiprotons, électrons et positrons) et leurs émissions secondaires et les améliorations des modèles astrophysiques sont présentées.Les données de PAMELA sur les antiprotons contraignent l'annihilation et la désintégration de la MN de manière similaire (et même légèrement meilleurs) que les contraintes les plus fortes venant des rayons gamma, même dans le cas où les énergies cinétiques inférieures à 10 GeV sont écartées. En choisissant des paramètres astrophysiques différents (modèles de propagation et profils de MN), les contraintes peuvent changer d'un à deux ordres de grandeur. Pour exploiter la totalité de la capacité des antiprotons à contraindre la MN, des effets précédemment négligés sont incorporés et se révèlent être importants dans l'analyse des données inédites de AMS-02 : ajouter les pertes d'énergie, la diffusion dans l'espace des moments et la modulation solaire peut modifier les contraintes, même à de hautes masses. Une mauvaise interprétation des données peut survenir si ces effets ne sont pas pris en compte. Avec les flux de protons et d'hélium exposé par AMS-02, le fond astrophysique et ces incertitudes du ratio antiprotons sur protons sont réévalués et comparés aux données inédites de AMS-02. Aucune indication pour un excès n'est trouvé. Une préférence pour un halo confinant plus large et une dépendance en énergie du coefficient de diffusion plus plate apparaissent. De nouvelles contraintes sur l'annihilation et la désintégration de la MN sont ainsi dérivés.Les émissions secondaires des électrons et des positrons peuvent aussi contraindre l'annihilation et la désintégration de la MN dans le halo galactique : le signal radio dû à la radiation synchrotron des électrons et positrons dans le champs magnétique galactique, les rayons gamma des processus de bremsstrahlung avec le gas galactique et de Compton Inverse avec le champs radiatif interstellaire sont considérés. Différentes configurations de champs magnétique galactique et de modèles de propagation et des cartes de gas et de champs radiatif interstellaire améliorés sont utilisées pour obtenir des outils permettant le calculs des émissions synchrotrons et bremsstrahlung venant de MN de type WIMP. Tous les résultats numériques sont incorporés dans la dernière version du Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID).Une interprétation d'un possible excès dans les données de rayons gamma de Fermi-LAT au centre galactique comme étant dû à l'annihilation de MN en canaux hadronique et leptonique est analysée. Dans une approche de messagers multiples, le calcul des émissions secondaires est amélioré et se révèle être important pour la détermination du spectre pour le canal leptonique. Ensuite, les limites provenant des antiprotons sur l'annihilation en canal hadronique contraignent sévèrement l'interprétation de cet excès comme étant dû à la MN, dans le cas de paramètres de propagation et de modulation solaire standards. Avec un choix plus conservatif de ces paramètres elles s'assouplissent considérablement. / Overwhelming evidence for the existence of Dark Matter (DM), in the form of an unknownparticle filling the galactic halos, originates from many observations in astrophysics and cosmology: its gravitational effects are apparent on galactic rotations, in galaxy clusters and in shaping the large scale structure of the Universe. On the other hand, a non-gravitational manifestation of its presence is yet to be unveiled. One of the most promising techniques is the one of indirect detection, aimed at identifying excesses in cosmic ray fluxes which could possibly be produced by DM annihilations or decays in the Milky Way halo. The current experimental efforts mainly focus in the GeV to TeV energy range, which is also where signals from WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) are expected. Focussing on charged cosmic rays, in particular antiprotons, electrons and positrons, as well as their secondary emissions, an analysis of current and forseen cosmic ray measurements and improvements on astrophysical models are presented. Antiproton data from PAMELA imposes contraints on annihilating and decaying DM which are similar to (or even slightly stronger than) the most stringent bounds from gamma ray experiments, even when kinetic energies below 10 GeV are discarded. However, choosing different sets of astrophysical parameters, in the form of propagation models and halo profiles, allows the contraints to span over one or two orders of magnitude. In order to exploit fully the power of antiprotons to constrain or discover DM, effects which were previously perceived as subleading turn out to be relevant especially for the analysis of the newly released AMS-02 data. In fact, including energy losses, diffusive reaccelleration and solar modulation can somewhat modify the current bounds, even at large DM masses. A wrong interpretation of the data may arise if they are not taken into account. Finally, using the updated proton and helium fluxes just released by the AMS-02 experiment, the astrophysical antiproton to proton ratio and its uncertainties are reevaluated and compared to the preliminarly reported AMS-02 measurements. No unambiguous evidence for a significant excess with respect to expectations is found. Yet, some preference for thicker halos and a flatter energy dependence of the diffusion coefficient starts to emerge. New stringed constraints on DM annihilation and decay are derived. Secondary emissions from electrons and positrons can also be used to constrain DM annihilation or decay in the galactic halo. The radio signal due to synchrotron radiation of electrons and positrons on the galactic magnetic field, gamma rays from bremsstrahlung processes on the galactic gas densities and from Inverse Compton scattering processes on the interstellar radiation field are considered. With several magnetic field configurations, propagation scenarios and improved gas density maps and interstellar radiation field, state-of-art tools allowing the computaion of synchrotron and bremssttrahlung radiation for any WIMP DM model are provided. All numerical results for DM are incorporated in the release of the Poor Particle Physicist Coookbook for DM Indirect Detection (PPPC4DMID). Finally, the possible GeV gamma-ray excess identified in the Fermi-LAT data from the Galactic Center in terms of DM annihilation, either in hadronic or leptonic channels is studied. In order to test this tantalizing interprestation, a multi-messenger approach is used: first, the computation of secondary emisison from DM with respect to previous works confirms it to be relevant for determining the DM spectrum in leptonic channels. Second, limits from antiprotons severely constrain the DM interpretation of the excess in the hadronic channel, for standard assumptions on the Galactic propagation parameters and solar modulation. However, they considerably relax if more conservative choices are adopted.