>Magister Scientiae - MSc / Measuring the evolution of the abundance of galaxy clusters puts constraints on cosmological parameters like the cosmological density parameter m, σ8 and the dark energy equation of state parameter, w. Current observations that promise to give large cluster counts and their properties are those that rely on the Sunyaev-Zeldovich effect (SZE) from clusters. We study the contamination of the SZ signals from galaxy clusters by cluster infrared (IR) galaxies and particularly faint IR galaxies. We use the Millennium simulation database to extract galaxy clusters and deduce contaminant IR fluxes using the star formation rate - IR luminosity relations. We use the IR spectral energy distribution(SED) to obtain the monochromatic fluxes at 145 GHz, 217 GHz and 265 GHz, which are the observation frequencies of the Atacama Cosmology Telescope (ACT). Taking ACT as a case study, we selected all clusters with Mvir ≥ 2 × 1014 M⊙, and consider all galaxies in a cluster with star formation rate sfr ≥ 0.2 M⊙yr−1 as IR galaxies. From the fluxes of these selected sources, we compute their contribution to the SZE temperature fluctuations.We find that the galaxies in clusters have a non-neglible contribution to the SZ signals.In massive and rich clusters the contribution can be as high as 100 μK at z = 0.36,which is substantial when compared to the thermal SZE of & 270μK for such clusters.This effect can be reduced significantly if proper modelling of IR sources is done to pick out the point sources within clusters. We also find that irrespective of the mass range,the average contaminant temperature fluctuation T can be modelled as a power-law: T = Czm, where z is the redshift, m = 1.8 ± 0.07 and C takes on a range of values(0.008 to 0.9) depending on the cluster mass and the observation frequency respectively.We also study some properties of simulated galaxy clusters like substructures in clusters,2D projected distributions and number density profiles, which are all discussed in the results.

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush,caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire.Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations. / This PhD Thesis has been achieved thanks to the joint effort between two French organizations, the French Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN/LMDN, Cadarache) and the French Aerospace Lab (ONERA/ DESP, Toulouse). The aim was to develop an operational neutron spectrometer extended to high energies in order to measure the dynamics of the spectral variations of the natural radiative environment at the summit of the Pic du Midi Observatory in the French Pyrenees. Thereby, the fluence responses of each detector were calculated thanks to Monte Carlo simulations. Afterwards, they were validated by means of experimental campaigns up to high energies (>20 MeV) nearby reference neutron fields. The systematic uncertainties were deduced after detailed studies of the mathematic reconstruction of the spectra (i.e. unfolding procedure). Then, the system was tested under rocks at the LSBB of Rustrel before being installed at respectively+500 m and +1000 m above sea level for the first environmental campaigns. Finally, the spectrometer has been operating for two years after its deployment at the summit of the Pic du Midi (+2885 m). The continuous data were analysed thanks to an innovative method. Some seasonal and spectral variations were observed. Some Forbush decreases were also recorded after strong solar flares. These data were further analysed thanks to Monte Carlo simulations. The data were made more attractive thanks toseveral practical applications with personal dosimetry or reliability of submicron electronics components.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la détermination de la masse des rayons cosmiques d’ultra haute énergie faite à l’Observatoire Pierre Auger. Aujourd’hui cette mesure est faite à travers l’utilisation de télescopes à fluorescence qui nécessitent des conditions de luminosité spéciales réduisantle cycle utile à environ 10%. Trois approches différentes sont proposées:La première approche est une nouvelle analyse. Les muons issus des gerbes horizontales sont déviés par le champ magnétique terrestre. Cette déviation modifie l’empreinte au sol des gerbes atmosphériques et est fonction de la longueur de parcours des muons. Un estimateur de Xμmax, leur point de productionmaximum, qui dépend de la masse du primaire peut être construit.La deuxième approche explore la détection du rayonnement radio émis par les gerbes atmosphériques, une technique similaire à la fluorescence mais sans limitation du cycle utile. La détection du rayonnement de Bremsstrahlung moléculaire est revue et explorée de différentes manières.La troisième approche propose un nouveau type de détecteur pour le réseau de surface, ces détecteurs ayant une réponse distincte aux différentes composantes des gerbes atmosphériques : électromagnétique et muonique. La mesure de la composante muonique est aussi un moyen d’accéder à la nature du primaire.La nouvelle analyse semble un outil prometteur qui peut s’appliquer à tout lot de données. La radio-détection en revanche n’apparaît pas comme une alternative compétitive face aux techniques traditionnelles. Le nouveau détecteur offre de belles perspectives et devrait être considéré pour l'équipementdes futurs observatoires. / The motivation of this PhD thesis is to improve the capabilities to determine the mass composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory. The measure of their mass composition is done with the fluorescence technique, that needs special luminosity conditions that reduce the exposure time to about 10% of the time. Three different approaches are proposed.The first approach is a new analysis. Muons in the horizontal showers are deviated by the magnetic field of the Earth. This deflection is related with different characteristics of the extensive air shower that allow the construction of an estimator to obtain an alternative measure of Xμmax, an observable sensitive to the mass of the primary.The second approach is to explore the detection of the radio emission produced in the extensive air showers, a technique similar to the fluorescente one, but without the limitations in the duty cycle. The detection of the Molecular Bremsstrahlung Radiation emission is revised and investigated from different points of view.The third approach is to propose a new surface detector that obtains different responses to the different components of the extensive air shower: electromagnetic and muonic. The access to the muonic component is another way to access to the composition of the primary particle.The new method of analysis proposed appears as a promising tool to be applied in any data set. The technique of the radio detection did not show clear indications of being an alternative to traditional techniques. The new detector represents a promising alternative to be considered in any future ultra-high energy cosmic rays experiment.

Orientador: José Augusto Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T07:17:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moreno_ThiagoVictor_M.pdf: 9704369 bytes, checksum: 4998048904230625e6cb929460a8f975 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho o programa CORSIKA foi utilizado para gerar eventos de colisão próton-próton e chuveiros atmosféricos extensos com partícula primária sendo próton ou ferro. Como modelo de interações hadrônicas usou-se o EPOS LHC, QGSJET 01c, QGSJET II-4 e SIBYLL 2,1. As colisões p-p foram simuladas com energia igual a 7 TeV no referencial centro de momenta e foi estudada a distribuição de multiplicidade de hádrons carregados e a densidade em pseudorapidez. Comparando estes observáveis com dados do CMS escolheu-se os modelos que melhor reproduzissem os dados para posteriormente, simular chuveiros atmosféricos extensos. Estes chuveiros foram gerados com partícula primária de energia igual a 1019eV no referencial do laboratório. Observou-se a densidade de múons na altitude do Detetor de Superfície do Observatório de raios cósmicos Pierre Auger. O objetivo é estudar a possibilidade de usar esta densidade para sondar modelos de interações hadrônicas e identificar a partícula primária dos eventos detetados pelo Observatório Pierre Auger / Abstract: In this work CORSIKA program was used to generate events from proton-proton collision and extensive air showers with primary particle being proton or iron. The hadronic interaction models used was EPOS LHC, QGSJET 01c, QGSJET II-4 and SIBYLL 2,1. The p-p collisions were simulated with energy equal to 7 TeV in the center of momenta reference system and the charged hadron multiplicity and the pseudorapidity density was studied. Comparing this with data collected by the CMS detector at the LHC it was chosen the best models to generate air showers. The extensive air showers were generated with primary particle energy equal to 1019 eV in the laboratory frame. It was observed the muon density in the altitude of the Surface Detector of the Pierre Auger Observatory. The objective is to study the possibility of using this density to probe the model and the primary particle of the events detected by the Pierre Auger Observatory / Mestrado / Física / Mestre em Física

Ce travail de thèse se sépare en deux volets. Le premier volet concerne l'étude de l'homogénéité de l'univers, et le second une mesure de l'échelle BAO, qui constitue une règle standard permettant de mesurer l'évolution du taux d'expansion de l'univers. Ces deux analyses reposent sur l'étude de la structuration (ou clustering) des quasars des relevés BOSS et eBOSS, qui couvrent la gamme en redshift 0,9 < z < 2,8. Les mesures des observables caractérisant la structuration de l'univers aux grandes échelles sont très sensibles aux effets systématiques, nous avons donc étudiés ces effets en profondeur. Nous avons mis en évidence que les sélections de cibles quasars BOSS et eBOSS ne sont pas parfaitement homogènes, et corrigé cet effet. Au final, la mesure de la fonction de corrélation des quasars nous a permis de mesurer le biais des quasars sur la gamme en redshift 0,9 < z < 2,8. Nous obtenons la mesure actuelle la plus précise du biais, b = 3,85 ± 0,11 dans la gamme 2,2 < z < 2,8 pour le relevé BOSS, et b = 2,44 ± 0,04 dans la gamme 0,9 < z < 2,2 pour le relevé eBOSS. Le Principe Cosmologique stipule que notre univers est isotrope et homogène à grande échelle. Il s'agit d'un des postulats de base de la cosmologie moderne. En étudiant la structuration à très grande échelle des quasars, nous avons prouvé l'isotropie spatiale de l'univers dans la gamme 0,9 < z < 2,8, indépendamment de toute hypothèse et cosmologie fiducielle. L'isotropie spatiale stipule que l'univers est isotrope dans chaque couche de redshift. En la combinant au principe de Copernic, qui stipule que nous ne nous situons pas à une position particulière dans l'univers, permet de prouver que notre univers est homogène aux grandes échelles. Nous avons effectué une mesure de la dimension de corrélation fractale de l'univers, D₂(r), en utilisant un nouvel estimateur, inspiré de l'estimateur de Landy-Szalay pour la fonction de corrélation. En corrigeant notre estimateur du biais des quasars, nous avons mesuré (3 - D₂(r)) = (6,0 ± 2,1) x 10⁻⁵ entre 250 h⁻¹ Mpc et 1200 h⁻¹ Mpc pour le relevé eBOSS, dans la gamme 0,9 < z < 2,2. Pour le relevé BOSS, nous obtenons (3 - D₂(r)) = (3,9 ± 2,1) x 10⁻⁵, dans la gamme 2,2 < z < 2,8. De plus, nous montrons que le modèle Lambda-CDM décrit très bien la transition d'un régime structuré vers un régime homogène. D’autre part, nous avons mesuré la position du pic BAO dans les fonctions de corrélation des quasars BOSS et eBOSS, détecté à 2,5 sigma dans les deux relevés. Si nous mesurons le paramètre α, qui correspond au rapport entre la position du pic mesuré et la position prédite par une cosmologie fiducielle (en utilisant les paramètres Planck 2013), nous mesurons α = 1,074 pour le relevé BOSS, et α = 1,009 pour le relevé eBOSS. Ces mesures, combinées uniquement à la mesure locale de H₀, nous permettent de contraindre l'espace des paramètres de modèles au-delà du Lambda-CDM. / This work consists in two parts. The first one is a study of cosmic homogeneity, and the second one a measurement of the BAO scale, which provides a standard ruler that allows for a direct measurement of the expansion rate of the universe. These two analyses rely on the study of quasar clustering in the BOSS and eBOSS quasar samples, which cover the redshift range 0.9 < z < 2.8. On large scales, the measurement of statistical observables is very sensitive to systematic effects, so we deeply studied these effects. We found evidences that the target selections of BOSS and eBOSS quasars are not perfectly homogeneous, and we have corrected this effect. The measurement of the quasar correlation function provides the quasar bias in the redshift range 0.9 < z < 2.8. We obtain the most precise measurement of the quasar bias at high redshift, b = 3.85 ± 0.11, in the range 2.2 < z < 2.8 for the BOSS survey, and b = 2.44 ± 0.04 in the range 0.9 < z < 2.2 for the eBOSS survey. The Cosmological Principle states that the universe is homogeneous and isotropic on large scales. It is one of the basic assumptions of modern cosmology. By studying quasar clustering on large scales, we have proved ''spatial isotropy'', i.e. the fact that the universe is isotropic in each redshift bins. This has been done in the range 0.9 < z < 2.8 without any assumption or fiducial cosmology. If we combine spatial isotropy with the Copernican Principle, which states that we do not occupy a peculiar place in the universe, it is proved that the universe is homogeneous on large scales. We provide a measurement of the fractal correlation dimension of the universe, D₂(r), which is 3 for an homogeneous distribution, and we used a new estimator inspired from the Landy-Szalay estimator for the correlation function. If we correct our measurement for quasar bias, we obtain (3 - D₂(r)) = (6.0 ± 2.1) x 10⁻⁵ between 250 h⁻¹ Mpc and 1200 h⁻¹ Mpc for eBOSS, in the range 0.9 < z < 2.2. For BOSS, we obtain (3 - D₂(r)) = (3.9 ± 2.1) x 10⁻⁵, in the range 2.2 < z < 2.8. Moreover, we have shown that the Lambda-CDM model provide a very nice description of the transition from structures to homogeneity. We have also measured the position of the BAO peak in the BOSS and eBOSS quasar correlation functions, which yield a 2,5 sigma detection in both surveys. If we measure the α parameter, which corresponds to the ratio of the measured position of the peak to the predicted position in a fiducial cosmology (here Planck 2013), we measure α = 1.074 for BOSS, and α = 1.009 for eBOSS. These measurements, combined only with the local measurement of H₀, allows for constraints in parameter space for models beyond Lambda-CDM.

Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.

L’anomalie des antineutrinos de réacteurs (RAA) a été révélée en 2011 suite à une réévaluation de la prédiction des spectres associés. Elle indique un déficit de 6% dans les taux mesurés auprès de réacteurs. Une explication consiste en l’introduction d’un neutrino stérile à l’eV, ne se manifestant que par le mécanisme d’oscillations. L’expérience STEREO a été conçue pour explorer l’espace des paramètres d’oscillations indiqués par la RAA, en plaçant une cible segmentée à 10 m du cœur quasiment pur en uranium 235 de l’ILL, à Grenoble. Les antineutrinos sont détectés par désintégration bêta inverse (IBD) dans du liquide scintillant dopé au gadolinium. Si elle existe, une oscillation se développerait alors le long des six cellules identiques de la cible. La comparaison relative de leurs spectres d’antineutrinos en énergie permet de tester l’hypothèse d’une oscillation en s’affranchissant des prédictions et avec des incertitudes systématiques réduites. Les forts rendements lumineux des liquides permettent d’atteindre de bonnes résolutions en énergie, nécessaires pour la sensibilité de la mesure. Les cellules sont séparées optiquement par des plaques hautement réfléchissantes; cette technologie a été validée sur cellule prototype dans un premier temps lors de cette thèse. Un modèle effectif pour ces parois optiques a été inclus à la simulation, et les détails de la géométrie ont été implémentés. La deuxième partie de ce travail est orientée vers l’analyse des données. La signature de l’IBD est un signal en deux temps, requérant un algorithme de recherche de paires pour extraire les candidats antineutrino. Le programme dédié est optimisé pour l’application de sélections d’isolations temporelles, permettant de se débarrasser de la majeure partie du bruit de fond d’origine cosmique. Le bruit de fond corrélé résiduel dans la région d’intérêt provient de désintégrations de muons et de réactions induites par des neutrons. Une modélisation des figures de discrimination en forme des signaux (PSD) de ce bruit de fond est employée pour extraire le signal antineutrino. Basée sur les spectres qui en résultent, les premières analyses d’oscillations de STEREO rejettent le meilleur ajustement de la RAA à 98% de niveau de confiance. / The Reactor Antineutrino Anomaly (RAA) was highlighted in 2011, when a reevaluated prediction of reactor antineutrinos spectra showed a 6% deficit in the rates observed by previous reactor experiments. A possible explanation for this anomaly consists in introducing a sterile neutrino state at the eV mass scale, participating to the neutrino oscillations mecanism only. The STEREO experiment has been designed to probe the phase-space region indicated by the RAA, by placing a segmented antineutrino target at 10m from the virtually pure uranium 235 compact core of the ILL research reactor facility, in Grenoble. Antineutrinos are detected via inverse beta decay (IBD) in gadolinium-doped liquid scintillator. An oscillation pattern - if any - would develop along the six identical target cells. The relative comparison of their energy distributions allows to test the sterile neutrino hypothesis with reduced systematic uncertainties and without referring to an external prediction. High light yields of the liquids enable to reach good energy resolutions, needed for the sensibility of the measurement. Cells are optically separated thanks to highly reflective plates; this technology has been validated on a prototype cell in the first stage of this thesis. An effective model of these walls has been included in the simulation, and details of the geometry have been carefully implemented. The second part of this work focuses on data analysis. The IBD signature is a two-fold signal, requiring a proper pair search algorithm for extracting the antineutrinos candidates. The dedicated software is optimized to apply specific temporal isolation selections, which allow to get rid of the majority of the background produced by cosmic events. The residual correlated background in the region of interest comes from muon decays and neutron induced reactions. A modelisation of the Pulse Shape Discrimination (PSD) distributions of this background is used to extract the antineutrino signal. Based on the resulting spectra, the first STEREO oscillation analysis rejects the RAA best fit point at 98% of confidence level.

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) est une expérience basée sur un télescope spatial d’optique diffractive, avec des lentilles de Fresnel, qui sera installé sur l’ISS en 2020. Il a comme but l’étude des UHECR et vise à améliorer d’un facteur de 10 les mesures actuelles de l’Observatoire Pierre-Auger. Le télescope EUSO-Balloon, qui a été validé technologiquement en 2014 a été le premier prototype intégrant l’ensemble de la chaîne de détection du télescope JEM-EUSO. Le principe de détection est basé sur la capture des photons UV individuels (photodétection) produits par fluorescence lors de l’interaction d’EAS avec l’atmosphère terrestre. Cette lumière est si faible qu’elle nécessite un instrument avec une efficacité de 100% pour la détection d’un photon. Le travail présenté dans ce manuscrit a porté sur toutes les étapes du projet EUSO-Balloon. Un procédé original de récupération de l’information des pixels avec une sensibilité faible a été développé. Le procédé consiste à utiliser une courbe (s-curve) générée par la modification du seuil de discrimination des signaux analogiques provenant des anodes des MAPMTs. Elle est valable pour tous les télescopes EUSO et sera utile dans l’espace, où la manipulation de l’appareil est limitée. / JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) is an experiment based on a diffractive optical telescope, with Fresnel lenses, that will be installed on the ISS in 2020. It aims to study the UHECR, improving by a factor of 10 the current measurements of the Pierre-Auger Observatory. The EUSO-Balloon telescope, technically validated in 2014, was the first prototype with the entire detection chain of the JEM-EUSO telescope. The detection principle is based on the capture of individual UV photons (photodetection) produced by fluorescence when the EAS interact with the Earth’s atmosphere. The fluorescence light is so low that an instrument with 100% efficiency for the detection of a photon, is required. The work presented in this manuscript has dealt with all the steps of EUSO-Balloon project. An original procedure has been developed to recover the information from pixels with low sensitivity. The method consists in using a curve generated by the modification of the threshold used to discriminate the analog signals produced by the anodes of the MAPMTs. It is valid for all EUSO telescopes and will be most useful in space where the manipulation of the apparatus is limited.

Nous avons étudié l'effet des rayons cosmiques dans les détecteurs en utilisant un bolomètre de germanium composite NTD à basse température, et une source de particules alpha comme source générique d'impulsions. Nous avons caractérisé ce bolomètre en constatant que la forme de son impulsion était due à la combinaison de sa réponse impulsionnelle (la somme de deux exponentielles doubles), et des effets liés à la position découlant de la thermalisation des phonons balistiques en phonons thermiques dans son absorbeur. Nous avons établi un schéma décrivant la forme de l'impulsion dans ce bolomètre en comparant une impulsion mathématique générique à une seconde description basée sur la physique thermique. Nous constatons que la thermalisation des phonons balistiques, suivie de la diffusion thermique, jouent un rôle important dans la forme de l'impulsion, en parallèle avec le couplage électrothermique et les effets électriques dépendant de la température. Nous avons modélisé les impulsions en observant que leur comportement peut être reproduit en tenant compte de la réflexion de phonons balistiques sur le bord de l’absorbeur, avec un couplage thermique fort au capteur central du bolomètre. Compte tenu de ces résultats, nous étudions également les effets des rayons cosmiques sur l’instrument Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), en produisant des timelines simulées et en testant la hausse de la valeur moyenne de la température (RMS) sur la plaquette du détecteur. Nous montrons que le flux thermique attendu des rayons cosmiques est au même ordre de grandeur que le maximum autorisé ΔTRMS ce qui constitue une menace sur le budget de la résolution énergétique de l'instrument. / We have studied the effect of cosmic rays in detectors using a composite NTD germanium bolometer at low temperatures and an alpha particle source as a generic source of pulses. We have characterised this bolometer, finding that its pulse shape is due to a combination of its impulse response function (the sum of two double exponentials), and position-dependent effects arising from thermalisation of ballistic phonons into thermal phonons in its absorber. We have derived a scheme for describing the pulse shape in this bolometer, comparing a generic mathematical pulse shape with a second description based on thermal physics. We find that ballistic phonon thermalisation, followed by thermal diffusion, play a significant role in the pulse shape, along with electro-thermal coupling and temperature-dependent electrical effects. We have modelled the pulses, finding that their behaviour can be reproduced accounting for ballistic phonon reflection off the absorber border, with a strong thermal coupling to the bolometer’s central sensor. With these findings, we also investigate the effects of cosmic rays on the Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), producing simulated timelines and testing the average RMS temperature increase on the detector wafer, showing that the expected cosmic ray thermal flux is within the same order of magnitudeas the maximum allowed ΔTRMS, posing a threat to the instrument’s energy resolution budget.