L'énergie sombre est l'un des grands mystères de la cosmologie moderne, responsable de l'actuelle accélération de l'expansion de notre Univers. Son étude est un des axes principaux de ma thèse : une des voies que j'exploite s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet observationnel appelé effet Sachs-Wolfe intégré (iSW). Cet effet est théoriquement détectable dans le fond diffus cosmologique (FDC) : avant de nous parvenir cette lumière traverse un grand nombre grandes structures sous-tendues par des potentiels gravitationnels. L'accélération de l'expansion étire et aplatit ces potentiels pendant le passage des photons du FDC, modifiant leur énergie d'une façon dépendante des caractéristiques de l'énergie sombre. L'effet iSW n'a qu'un effet ténu sur le FDC, obligeant l'utilisation de données externes pour le détecter. Une approche classique consiste à corréler le FDC avec un traceur de la distribution de la matière, et donc des potentiels sous-jacents. Maintes fois tentée avec des relevés de galaxies, cette corrélation n'a pas donné à l'heure actuelle de résultat définitif sur la détection de l'effet iSW, la faute à des relevés pas assez profonds et/ou avec une couverture trop faible. Un partie de ma thèse est dédiée à la corrélation du FDC avec un autre fond "diffus" : le fond diffus infrarouge (FDI), qui est constitué de l'émission intégrée des galaxies lointaines non-résolues. J'ai pu montrer qu'il représente un excellent traceur, exempt des défauts des relevés actuels. Les niveaux de signifiance attendus pour la corrélation CIB-CMB excèdent ceux des relevés actuels, et rivalisent avec ceux prédits pour la futur génération de très grands relevés. Dans la suite, ma thèse a porté sur l'empreinte individuelle sur le FDC des plus grandes structures par effet iSW. Mon travail sur le sujet a d'abord consisté à revisiter une étude précédente d'empilement de vignettes de FDC à la position de structures, avec mes propres protocole de mesure et tests statistiques pour vérifier la signifiance de ces résultats, délicate à évaluer et sujette à de possibles biais de sélection. J'ai poursuivi en appliquant cette même méthode de détection à d'autres catalogues de structures disponibles, beaucoup plus conséquents et supposément plus raffinés dans leur algorithme de détection. Les résultats pour un d'eux suggère la présence d'un signal à des échelles et amplitudes compatible avec la théorie, mais à des niveaux modérés de signifiance. Ces résultats empilements font s'interroger concernant le signal attendu : cela m'a amené à travailler sur une prédiction théorique de l'iSW engendré par des structures, par des simulations basées sur la métrique de Lemaître-Tolman-Bondi. Cela m'a permis de prédire l'effet iSW théorique exact de structures existantes : l'amplitude centrale des signaux mesurés est compatible avec la théorie, mais présente des caractéristiques non-reproductibles par ces mêmes prédictions. Une extension aux catalogues étendus permettra de vérifier la signifiance de leurs signaux et leur compatibilité avec la théorie. Un dernier pan de ma thèse porte sur une époque de l'histoire de l'Univers appelée réionisation : son passage d'un état neutre à ionisé par l'arrivée des premières étoiles et autres sources ionisantes. Cette période a une influence importante sur le FDC et ses propriétés statistiques, en particulier sur son spectre de puissance des fluctuations de polarisation. Dans mon cas, je me suis penché sur l'utilisation des mesures de températures du milieu intergalactique, afin d'étudier la contribution possible de la désintégration et annihilation de l'hypothétique matière sombre. A partir d'un travail théorique sur plusieurs modèles et leur comparaison aux observations de température, j'ai pu extraire des contraintes intéressantes et inédites sur les paramètres cruciaux de la matière sombre et des caractéristiques cruciales de la réionisation elle-même. / The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21579号 / 理博第4486号 / 新制||理||1644(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)教授 橋口 浩之, 教授 塩谷 雅人, 教授 秋友 和典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ainsi que des coproduits comme les photons et les neutrinos, issus de sources de rayons cosmiques galactiques ou extragalactiques. Ils arrivent au sommet de l'atmosphère terrestre avec des énergies primaires allant jusqu'à quelques 10 EeV. Lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère, ils interagissent avec les molécules de l'air et produisent un grand nombre de particules secondaires, créant une gerbe atmosphérique (extensive air shower, EAS). Accompagné des particules secondaires, une émission de la lumière Cherenkov et de la lumière fluorescence est induite par le passage des particules dans l'atmosphère. L'Observatoire Pierre Auger et Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) sont des observatoires dédiés à la détection des gerbes atmosphériques dans le but de répondre aux questions ouvertes concernant les rayons cosmiques, mais se concentrant sur différentes gammes d'énergie, les plus hautes énergies et les énergies autour de quelques PeV. Après plus de 10 ans d'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger, la collaboration Auger a proposé une amélioration des détecteurs de son réseau de surface, appelée "AugerPrime". Le but est d'augmenter la sensibilité à la masse des particules primaires en ajoutant un détecteur scintillateur sur le détecteur Cherenkov à eau. Les deux observatoires sont dits «hybrides» car composés de télescopes optiques observant le développement longitudinal des gerbes et des réseaux de détecteurs de surface échantillonnant leurs profils latéraux. Dans cette thèse, une série d'études contribuant aux projets AugerPrime et LHAASO sont présentées. En ce qui concerne le projet AugerPrime, la présente étude comprend le travail de recherche & développement des scintillateurs et l'analyse de données du réseau de tester. Pour le projet LHAASO, des simulations de télescopes Cherenkov et une analyse multivariée des observations hybrides pour l'identification des masses primaires sont présentées. / Cosmic rays are charged particles, as well as coproducts like photons and neutrinos, originated in cosmic-ray sources inside or outside the Galaxy. They arrive at the top of the Earth's atmosphere with primary energies of up to a few 10 EeV. When the cosmic rays enter the atmosphere, they interact with the molecules in the air and produce a large number of secondary particles, creating an extensive air shower (EAS). The ground-based observation of the EAS can be used to deduce the energy, the arrival direction, and the mass composition of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory and the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) are both EAS observatories aiming at solving open questions of cosmic-ray studies but focusing on different energy ranges, the highest-energy and the so-called knee (around few PeV) regions. Based on the experience gained during the operation of the Pierre Auger Observatory for more than 10 years, the Auger collaboration has proposed an upgrade project, called ''AugerPrime'', with the aim of increasing the sensitivity of the surface detector array to the primary mass of cosmic rays. Both observatories employ the so-called ''hybrid detector arrays'' composed of optical telescopes overlooking the longitudinal development and ground detector arrays sampling the signal densities in the lateral direction of the EAS. The ground detector arrays of both observatories are being constructed or upgraded to have various types of particle detectors (scintillator and water-Cherenkov detectors), which allow us to decompose the electromagnetic and muonic components of the EAS. In this thesis, a series of studies contributing to the AugerPrime and LHAASO projects are presented. Concerning the AugerPrime project, the present study includes R&D work of the scintillator detector and data analysis of the engineering array. For the LHAASO project, simulations of the wide field of view Cherenkov telescope array and a multivariate analysis of LHAASO-hybrid observations for the primary mass identification are presented.

Cette thèse porte sur l’étude de la radio-sensibilité de Molécules AromatiquesHétérocycliques (MAH) à basse température exposées à une irradiation avec des ionslourds rapides. La présence de ces molécules dans les météorites carbonées sur Terre estune forte indication pour l’existence de cette catégorie de molécules dans l’espace.L’objectif de ce travail est de simuler l’effet des rayons cosmiques sur des MAH enphase solide et d’estimer leur résistance à l’irradiation. Les lignes de faisceaux deGANIL et de GSI permettent de simuler cet effet. L’évolution des MAH en phase solidea été monitorée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Cela permet dequantifier la destruction des MAH, de déterminer leur section efficace de destruction etde détecter les molécules produites. Les sections efficaces de destruction de l’adénine etde la cytosine suivent une loi puissance en fonction du pouvoir d’arrêt électronique :σd~ Se1.2. Les nouvelles bandes d’absorption observées après l’irradiation des MAH sontprincipalement attribuées à des nitriles (R-C≡N), des isonitriles (R-N≡C) et (R-C≡C).L’évolution de la section efficace en fonction du pouvoir d’arrêt électronique a permisd’estimer la durée de vie de l’adénine dans l’espace : (14×106) années. Ces résultatspermettront de comprendre la stabilité et la chimie de ces molécules complexes dansl’espace. / The thesis concerns the study of the radio sensitivity of aromatic heterocyclic molecules(AHMs) at low temperature (12 K) exposed to swift heavy ion radiation. The presenceof aromatic heterocyclic molecules in carbonaceous meteorites on Earth is a strongindication that this class of molecules exists in outer space.The aim of this work was to study the effects of cosmic ray analogues on solid AHMsand to estimate their survival under radiation. The beam lines of GANIL and GSI allowto simulate the effects of cosmic rays in AHMs. The evolution of the solid AHMs underirradiation was monitored by Fourier transformed infrared absorption spectroscopy; thisallows to quantify the disappearance of AHMs, to determine their apparent destructioncross section and to detect their radioproducts. Furthermore, it was found that adenineand cytosine destruction cross sections (σd) follow a power law with the electronicenergy loss: σd~ Se1.2 .New IR absorption peaks arising from the AHMs degradationswere observed; these peaks can be attributed to nitriles (R-C≡N), isonitriles (R-N≡C),and (R-C≡C).The observed power law allowed the estimation of the lifetime of adeninein space exposed to galactic cosmic rays as (14×106) years. These findings may help tounderstand the stability and chemistry related to complex organic molecules in space.

Deux analyses sont présentées dans cette thèse. Une première analyse exploite les données du télescope à neutrino ANTARES pour sonder la présence d'un flux de neutrino diffus galactique. Cette analyse se base sur un modèle récent de propagation des rayons cosmiques dans la galaxie, le modèle KRAγ. Ce modèle prédit un flux de neutrinos particulièrement élevé et proche de la sensibilité des télescopes à neutrinos actuels. Il existe deux versions de ce modèle correspondant à différentes coupures sur l'énergie des rayons cosmiques, à 5 et 50 PeV/nucléon. Une méthode de maximisation d'une fonction de vraisemblance est utilisée pour prendre en compte les caractéristiques du modèle, autant spatiales qu'en énergie. Cette analyse a également été combinée avec les données de l'expérience IceCube dans le but d'exploiter au mieux les données actuelles. Des limites ont été mises sur ce modèle rejetant la version avec une coupure à 50 PeV et limitant la version avec une coupure à 5 PeV à moins de 1,2 fois le flux prédit par le modèle. Une deuxième analyse de suivi du signal d'ondes gravitationnelles GW170817 par le télescope à neutrino ANTARES est également présentée. Le signal d'onde gravitationnelles GW170817 résulte de la coalescence d'une binaire d'étoiles à neutrons. Cette deuxième analyse a pour objectif de sonder la présence d'un flux de neutrinos provenant de cet événement en cherchant des neutrinos corrélés spatialement et temporellement. J'ai pris part à cette analyse en y ajoutant les événement de type cascade. Aucun événement n'a été détecté en corrélation, des limites ont été mises sur le flux de neutrino attendu. / Two analyses are detailed in this thesis. A first analysis exploit the data of the ANTARES neutrino telescope to probe the presence of a Galactic diffuse neutrino flux. This analysis is based on a recent model of cosmic ray propagation in the Galaxy, the KRAγ model. This model predict a neutrino flux particularly high and close to the sensitivity of the current neutrino telescopes. Two versions of this model exist corresponding to different cuts in the cosmic ray energy, one at 5 PeV/nucleon and an other one at 50 PeV/nucleon. A method of maximization of a likelihood function is used in order to account for the model characteristics in energy and space. The analysis has also been combined with the data of the IceCube experiment in order to exploit all the available data. Limits have been put on this model rejecting the version of the model with the 50 PeV cut and limiting the version with the 5 PeV cut to less than 1.2 times the predicted flux.A second analysis of gravitational wave signal follow-up by the ANTARES neutrino telescope is also presented in this work. The GW170817 gravitational wave signal results from the coalescence of a binary neutron star system. This second analysis aims at probing the presence of a neutrino flux coming from this event looking for neutrino events correlated in space and time. I took part to this analysis by adding the shower-like event sample. No event has been detected in correlation, limits have been put on the expected neutrino flux.

This diploma thesis examines the possibilities of a new method of astronomical calibration at the Pierre Auger Observatory in Argentina. Its goal is to use stars as objects with known brightness to calibrate the fluorescence detectors and compare these results with the existing calibration. The analysis was done using computer programs which use the star catalog and experimental background data to compare the current calibration with our method. Results that are presented conclude that the calibration using stars is consistent with the existing calibration, however, the error of the new method is much higher. Nevertheless, there is a good potential for scale - it could be used for all past and future data. Potential improvements to this method and its error are suggested.

In this thesis, we present our two studies focused on the detection of cosmic γ-rays and the analysis of data from γ-ray observations. One study deals with the method of the Cherenkov transparency coefficient. This method is suitable for the detector calibration in experiments employing imaging atmo- spheric Cherenkov telescopes for the indirect detection of cosmic γ-rays. Us- ing rates of recorded air showers initiated by charged cosmic rays, the method aims at the monitoring of the atmospheric transparency to Cherenkov light and the calibration of the responses of Cherenkov telescopes. We present an extension of this method for the purposes of the Cherenkov Telescope Array observatory and demonstrate its feasibility using Monte Carlo simu- lations. Our other analysis utilizes more than 7 years of data from direct γ-ray observations by the Fermi Large Area Telescope. We describe in detail signal observed from the parts of the sky around the active galactic nuclei 1ES 0229+200 and Centaurus A. We report on the findings of new astro- physical sources of high energy photons and document spectral and temporal properties of their γ-ray fluxes. 1

Cosmic rays of energies above 1014 eV are detected mostly indirectly, by observing the extensive air showers they create in the atmosphere. Multiple experiments suggest that the current models of high-energy interactions do not describe the cosmic ray data perfectly, in particular when it comes to the prediction for the number of muons at ground. We present two models aiming to improve the description of the muon component, one based on the addition of particles with small momenta in the local center-of-mass frame of the high-energy hadronic interactions in the shower, the other on the addition of the so-called dark photons to the electromagnetic part of the shower. While we find the latter having no observable consequences, the former improves the agreement between observed and predicted amounts of muons both for the DELPHI cosmic ray data and for the measurements by the Pierre Auger Observatory. We also describe the FRAM telescope, a device used to monitor the atmosphere at the Pierre Auger Observatory, and its applications to the search for anomalous shower profiles and to the measurement of the aerosol content of the atmosphere, which is crucial for the analysis of data obtained by fluorescence detectors. 1

Min tanke med detta arbete var att hitta nya sätt att både skriva och producera låtar på, genom att använda mig av referenslåtar som inspirationskälla. Jag fokuserade på tre olika beståndsdelar från referenslåtarna, som sedan implementerades i tre nyskapade demolåtar. I låt 1 fokuserade jag på basen roll. I låt 2 fokuserade jag på solosångens relation till körsång och i låt 3 fokuserade jag på elpianot Fender Rhodes. När jag analyserade referenslåtarna så tog jag med mig vissa principer från respektive referenslåt och implementerade i mina egna låtar. Detta resulterade i att jag bland annat upptäckte nya spelsätt, sound och produktionstekniker att inspireras av till mina tre nyskrivna demolåtar. Att jobba med referenslåtar upplevde jag var ett bra startskott för att komma igång med låtskrivarprocessen. Samtidigt kunde jag stundtals känna mig begränsad och låst till referenslåtarna. Trots detta så var det en väldigt lärorik metod som hjälpte mig at vidga mina vyer och möjliggjorde för mig att skapa tre demolåtar som jag kanske inte annars hade skrivit.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent les paramètres d'un modèle de cosmologie, le modèle du galileon, et d'un modèle de physique des particules, le modèle du branon, qui sont des extensions des modèles standards. Ces modèles, qui supposent l'existence d'un champ scalaire additionnel et peuvent trouver leurs origines dans les théories à dimensions supplémentaires, offrent des explications élégantes aux questions de la nature de l'énergie noire et de la matière noire respectivement. La première partie de cette thèse présente les prédictions du modèle du galileon et les résultats obtenus par leur comparaison aux observations cosmologiques et astrophysiques récentes. Cette étude montre que le modèle du galileon a de sérieuses difficultés à reproduire ces observations, qui regroupent le fond diffus cosmologique, les mesures liées aux distances cosmologiques, et l'observation d'un évènement par ondes gravitationnelles et contrepartie électromagnétique. La seconde partie décrit la recherche de branons dans les collisions proton-proton enregistrées en 2016 par le Solénoïde Compact à Muons au Grand Collisionneur de Hadrons, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Des évènements qui présentent un jet de haute énergie, produit par un quark ou gluon ou bien par désintégration hadronique d'un boson vecteur, et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés et comparés aux estimations pour les évènements de bruits de fond. Aucun excès d'évènements n'est observé, ce qui permet de poser des contraintes sur les valeurs possibles des paramètres du modèle du branon. / This PhD thesis presents constraints on the parameters of a cosmological model, the galileon model, and a particle physics model, the branon model. Both are extensions of the standard models that include an additional scalar field and that can be built from extra dimensions theories. The galileon model propose an alternative to the cosmological constant as the nature of dark energy, and the branon model give a dark matter particle candidate. The first part of this thesis shows the predictions of the galileon model and the results obtained from their comparison with recent cosmological and astrophysical observations. The set of observations used contains the cosmic microwave background, cosmological distances measurements and the detection of gravitational waves along with their electromagnetic counterpart from the merger of a binary star system. The study shows that the galileon model has serious difficulties to reproduce these observations. The second part describe the search for branons in proton-proton collisions data at 13 TeV collected in 2016 with the Compact Muon Solenoid at the Large Hadron Collider. Events with high energy jets, produced by a quark, a gluon or a vector boson decaying hadronically, and missing transverse energy in the final state are selected and compared to background estimations. No excess of event has been found allowing for experimental constraints to be put in the parameter space of the branon model.