Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé.

Les collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV au LHC produiront des bosons Z en grande quantité dont la mesure de la section efficace de production constitue un test du Modèle Standard. Après avoir décrit le contexte théorique et procédé à une description du détecteur ATLAS et des outils de simulation et d'analyse, une partie de cette thèse est consacrée à l'exploitation des événements cosmiques enregistrés dans la phase de préparation aux collisions afin de valider la simulation des formes de gerbes électromagnétiques dans un contexte proche de celui des collisions. Une deuxième partie de la thèse s'attache à la description des éléments clefs intervenant dans la mesure de la section efficace. Des critères de sélection utilisant des variables d'isolation, alternatifs à la sélection standard, ont été étudiés et ont mené à l'observation des premiers candidats Z->e+e- dans ATLAS. Enfin, les principales sources d'erreurs systématiques intervenant dans la mesure de section efficace ont été étudiées. Il s'agit des incertitudes liées d'une part à l'efficacité de sélection des électrons et d'autre part à l'efficacité géométrique du détecteur.

Les rayons cosmiques (RC) ont un rôle fondamental sur la dynamique et l'évolution chimique des nuages moléculaires interstellaires, qui sont le lieu de formation stellaire et planétaire. Les RC sont probablement accélérés dans les enveloppes en expansion des rémanents de supernova (SNR), ainsi les nuages moléculaires situés à proximité peuvent être soumis à d'intenses flux de RC. Les protons relativistes ont principalement deux effets sur les nuages moléculaires : 1) en rencontrant le milieu dense, les protons de haute énergie (>280 MeV) induisent via la désintégration des pions l'émission de photons gamma. à cause de ce processus, les associations SNR-nuages moléculaires sont des sources intenses d'émission GeV et/ou TeV présentant des spectres similaires à celui des protons incidents. 2) à plus basse énergie, les RC pénètrent le nuage et ionisent le gaz, induisant la formation d'espèces moléculaires caractéristiques appelées traceurs de l'ionisation. L'étude de ces traceurs permet de déduire des informations sur les RC de basse énergie inaccessibles aux autres méthodes d'observation. J'ai étudié l'ionisation des nuages moléculaires par les RC près de trois SNR : W28, W51C et W44. Il existe des preuves observationnelles d'interaction avec le nuage voisin pour chaque SNR (présence de gaz choqué, masers OH, émission gamma). Mon travail repose sur la comparaison d'observations millimétriques des traceurs de l'ionisation à des modèles de chimie appliqués à ces nuages denses. Dans chaque région, nous avons déterminé un taux d'ionisation supérieur à la valeur standard, confortant l'hypothèse d'une origine des RC dans l'enveloppe du SNR voisin. L'existence d'un gradient d'ionisation en s'éloignant de l'onde de choc du SNR apporte des contraintes précieuses sur les propriétés de propagation des RC de basse énergie. La méthode utilisée repose sur l'observation des ions moléculaires HCO+ et DCO+, qui montre des limitations importantes à haute ionisation. C'est pourquoi j'ai également cherché à identifier des traceurs alternatifs de l'ionisation, par un effort croisé de modélisation et d'observation. En particulier, dans la région W44, les observations de N2H+ ont permis de mieux contraindre les conditions physiques, les abondances volatiles dans le nuage et l'état d'ionisation du gaz. Ce projet de recherche a amené une meilleure compréhension de la chimie induite par les RC dans les nuages moléculaires. Il a également ouvert de nouvelles perspectives de recherche interdisciplinaire vers la compréhension des RC, des observations millimétriques aux observations gamma. / Cosmic rays (CR) are of tremendous importance in the dynamical and chemical evolution of interstellar molecular clouds, where stars and planets form. CRs are likely accelerated in the shells of supernova remnants (SNR), thus molecular clouds nearby can be irradiated by intense fluxes of CRs. CR protons have two major effects on dense molecular clouds: 1) when they encounter the dense medium, high-energy protons (>280 MeV) create pions that decay into gamma-rays. This process makes SNR-molecular cloud associations intense GeV and/or TeV sources whose spectra mimic the CR spectrum. 2) at lower energies, CRs penetrate the cloud and ionise the gas, leading to the formation of molecular species characteristic of the presence of CRs, called tracers of the ionisation. Studying these tracers gives information on low-energy CRs that are unaccessible to any other observations. I studied the CR ionisation of molecular clouds next to three SNRs: W28, W51C and W44. These SNRs are known to be interacting with the nearby clouds, from the presence of shocked gas, OH masers and pion-decay induced gamma-ray emission. My work includes millimeter observations and chemical modeling of tracers of the ionisation in these dense molecular clouds. In these three regions, we determined an enhanced CR ionisation rate, supporting the hypothesis of an origin of the CRs in the SNR nearby. The evolution of the CR ionisation rate with the distance to the SNR brings valuable constraints on the propagation properties of low-energy CRs. The method used relies on observations of the molecular ions HCO+ and DCO+, which shows crucial limitations at high ionisation. Therefore, I investigated, both through modeling and observations, the chemical abundances of several other species to try and identity alternative tracers of the ionisation. In particular, in the W44 region, observations of N2H+ bring additional constraints on the physical conditions, volatile abundances in the cloud, and the ionisation state. This research brought valuable insight into the CR induced chemistry in the interstellar medium. It also brought new perspectives of interdisciplinary research towards the understanding of CRs, from millimeter to gamma-ray observations.

Le rayonnement cosmique, mis en évidence par Viktor Hess en 1912, est composé de particules chargées, créées et possiblement accélérées dans les restes de supernova, et qui se propagent dans la Galaxie. La mesure des flux du rayonnement cosmique permet de mettre des contraintes sur leurs sources et leur transport, mais aussi de se pencher sur le problème de la matière sombre.C'est pour répondre à ces questions qu'a été construit le détecteur AMS-02, mis en place sur la station spatiale internationale depuis mai 2011. Ce détecteur de haute précision mesure l'ensemble des flux de particules du rayonnement cosmique.Le travail proposé dans cette thèse consiste à estimer le flux de protons avec le détecteur AMS-02. L'accent est mis sur la déconvolution des effets de la réponse en énergie du détecteur sur les flux et sur la caractérisation du flux obtenu à haute énergie (au-dessus de 200 GeV/n) avec la mise en évidence d'une cassure spectrale.D'autre part, le soleil émet un plasma qui interagit avec les particules du rayonnement cosmique, modifiant les flux issus de la propagation dans la Galaxie. Cette modification évolue dans le temps en suivant le cycle d'activité solaire et est appelée modulation solaire. Dans ce cadre, nous avons obtenu une nouvelle détermination robuste des flux interstellaires de protons et d'hélium en nous basant sur les données récentes du rayonnement cosmique (incluant AMS-02). Les niveaux de modulation solaire obtenus sont validés avec une seconde analyse réalisée à partir des données des moniteurs à neutrons, détecteurs au sol, qui permettent d'établir des séries en temps du paramètre de modulation depuis les années 50. / Cosmic rays (CR) were discovered by Viktor Hess in 1912. Charged CR are synthesized and supposedly accelerated in supernova remnants, then propagate through the Galaxy. CR flux measurement set constraints on CR sources and propagation, but may also bring answers to the dark matter problem.AMS-02 is a high precision particle physics detector placed on the international space station since may 2011. It measures the CR fluxes of many species.This thesis deals with the proton flux estimation measured by the AMS-02 instrument. The focus is set on the unfolding of the instrument energy response impacting the flux, and on the caracterisation of the high-energy spectral break.The Sun produces a plasma which interacts with CR particles, modifying the flux obtained from galactic propagation. This modification evolves through time following the solar activity cycle, and is denoted solar modulation. In this framework, decolving from this effect, a robust determination of the proton and helium interstellar fluxes is obtained using recent high precision CR data including AMS-02. The associated solar modulation levels are cross-checked with a second estimation taken from neutron monitors (ground based detectors) data, allowing solar modulation time series reconstruction from the 50s.

La matière noire astronomique est une composante essentielle de l'univers. Depuis sa mise en évidence en 1933 par Fritz Zwicky dans l'amas de Coma, sa présence au sein des galaxies et des amas de galaxies a été largement confirmée. Les observations du satellite Planck permettent de fixer le modèle standard cosmologique selon lequel 85% de la matière de l'univers est constituée de matière noire.La nature de cette dernière demeure cependant aujourd'hui inconnue. De nombreux candidats ont été proposés. L'explication la plus plausible fait état de particules massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire. Ces particules de matière noire, dénommées WIMPs pour Weakly Interactive Massive Particles, sont prédites par les extensions du modèle standard des particules, à l'instar des théories supersymétriques ou des théories à dimensions supplémentaires de type Kaluza-Klein.Les particules de matière noire sont traquées activement dans les accélérateurs de particules et dans les détecteurs souterrains. Une stratégie alternative consiste à rechercher les signatures de leur présence dans la Voie Lactée à travers les rayons cosmiques, messagers de l'univers. En effet, on s'attend à ce que les WIMPs présents dans la galaxie s'annihilent en paires particules-antiparticules. Les mécanismes produisant de l'antimatière étant très rares, les antiparticules cosmiques constituent des messagers privilégiés de la présence de matière noire.Ce mémoire de thèse se concentre sur la recherche indirecte de matière noire à travers les flux de positrons et d'antiprotons cosmiques. L'objet de ce travail est de confronter les modèles théoriques de particules de matière noire aux données expérimentales, afin de mettre éventuellement en évidence les hypothétiques WIMPs et d'en déterminer les propriétés.La première partie dresse le bilan des recherches actuelles de matière noire avant de se consacrer aux modes de production et de propagation des rayons cosmiques.La thèse se concentre ensuite sur l'interprétation de la fraction positronique mesurée par la collaboration AMS-02. La possibilité d'expliquer les données par la présence de matière noire dans la galaxie est étudiée. Une explication alternative impliquant des pulsars proches produisant des positrons est examinée. Une méthode permettant de traiter la propagation des positrons cosmiques de basse énergie est ensuite développée, et les premières contraintes sur les propriétés de la matière noire sont alors dérivées à partir des mesures du flux de positrons à basse énergie.Ce travail se poursuit avec l'étude de la propagation des antiprotons cosmiques. L'influence des effets de propagation à basse énergie sur la détermination des propriétés de la matière noire est explorée. De nouvelles contraintes sont dérivées à partir des données expérimentales de la collaboration PAMELA. Les incertitudes théoriques sur la détermination du fond astrophysique sont évaluées. L'interprétation des mesures préliminaires du rapport antiprotons sur protons par la collaboration AMS-02 et les conséquences pour la matière noire sont finalement discutées. / The astronomical dark matter is ubiquitous in the universe. Since it was discovered in 1933 by Fritz Zwicky in the Coma cluster, its presence in galaxies and in galaxy clusters has been largely confirmed. The standard cosmological model predicts that about 85% of the matter in the universe is composed of dark matter.Its nature, however, remains unknown today. The dark matter particles must still have the properties of being massive and interact weakly with ordinary matter. This type of particles, the WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles) are predicted by the extensions theories of the Standard Model of particles physics, like supersymmetrie or extra-dimensional Kaluza-Klein type theories.The dark matter particles are actively hunted in particle accelerators and in direct detection experiments. An alternative strategy is to look for signatures of the dark matter in the Milky Way through cosmic rays -- the universe messengers. Indeed, we expect that WIMPs that are present in the Galaxy annihilate into particle-antiparticle pairs. As antimatter is rare, cosmic antiparticles are privileged messengers of the presence of dark matter.This thesis focuses on indirect dark matter searches through the study of both cosmic ray positron and antiproton fluxes. The purpose of this PhD is to compare the theoretical models of dark matter particles with experimental data, which will allow us to determine their properties.The first part of the thesis provides an overview of current searches on dark matter and then focuses on the production and propagation of cosmic rays.The second part is devoted to the interpretation of the positron fraction measured by the AMS-02 collaboration. The possibility to explain the data by the presence of dark matter in the Galaxy is studied. An alternative explanation involving nearby pulsars is examined. A method to deal with low energy positrons is developed, leading to the first constraints on dark matter properties.Finally, this work focuses on the propagation of cosmic antiprotons. The influence of low energy propagation effects on the antiproton flux is explored. New constraints on WIMPs are derived from the data of the PAMELA collaboration. The theoretical uncertainties on the astrophysical background are assessed. The interpretation of the preliminary data of the AMS-02 collaboration on the antiproton to proton ratio and the implications for dark matter properties are finally discussed.

Les connaissances sur les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (E>10^{18} eV) ont progressé durant la dernière décennie, en particulier grâce aux résultats remarquables de l'Observatoire Pierre Auger. La question de la composition du flux de rayons cosmiques à ces énergies reste cependant ouverte. Le projet EASIER (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) de détection radio des gerbes atmosphériques recherche de nouvelles observables liées à la nature du rayonnement cosmique primaire, complémentaires de celles déjà mise en oeuvre à l'Observatoire Pierre Auger. Ce dispositif est constitué d'un réseau d'antennes radio fonctionnant aux fréquences MHz et GHz et installées en mode esclave sur une soixantaine de détecteurs de particules du réseau de surface de l'Observatoire. Après étude de la réponse des détecteurs et analyse des données, les caractéristiques des signaux détectés aux fréquences MHz se sont révélées compatibles avec une origine géomagnétique de l'émission radio des gerbes. Aux fréquences GHz, seuls quelques signaux ont été détectés en coïncidence avec des gerbes atmosphériques. Un programme de simulation a été réalisé dans le but d'identifier l'origine de cette émission micro-ondes. Il inclut le développement de la gerbe dans l'atmosphère et différents mécanismes d'émission aux fréquences GHz : l'effet Cerenkov et le bremsstrahlung moléculaire. La propagation du rayonnement dans l'atmosphère et la réponse de l'antenne réceptrice sont également simulés, ce qui permet une comparaison directe des signaux détectés avec les signaux attendus. / The understanding on the ultra high cosmic rays (E>10^{18} eV) issue has been improved over the last decade, especially through the noteworthy results of the Pierre Auger Observatory. The composition of cosmic rays at those energies is still an open matter. The EASIER project (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) on radio detection of extensive air showers is looking for new observables related to the nature of primary cosmic rays, complementary to those already implemented at the Pierre Auger Observatory. This prototype consists of an array of MHz and GHz antennas, set up on a slave mode on about sixty tanks of the surface detector of the Observatory. Further to a study of the antenna response and a data analysis, the features of the detected signals at MHz frequencies have turned out to be compatible with a geomagnetic origin of the shower radio emission. At GHz frequencies, only a few signals have been detected in coincidence with extensive air showers. A simulation program has been created, aiming to identify the origin of this micro wave emission. It includes the air shower development in the atmosphere and different emission mechanisms at GHz frenquencies : the Cerenkov radiation and the molecular bremsstrahlung. The radiation propagation through the atmosphere and the receiving antenna response are simulated as well, allowing to directly compare the detected signals to the predicted ones.

L'expérience H.E.S.S. est un réseau de télescope Tcherenkov, situé en Namibie, qui observe le rayonnement de sources astrophysiques de rayons gamma de très haute énergie. Depuis sa mise en service il y a plus de dix ans, H.E.S.S. a permis d'améliorer considérablement notre vision de l'univers à ces énergies. Depuis 2012, le démarrage de la deuxième phase de l'expérience avec la mise en service d'un cinquième télescope permet de baisser le seuil en énergie de l'expérience.L'optimisation d'une analyse multivariée au sein de l'expérience H.E.S.S. est présentée dans cette thèse. L'analyse Xeff a été amélioré en prenant en compte les conditions d'observations, et en introduisant de nouvelles variables dans l'estimateur. Un gain de sensibilité de l'analyse par rapport aux analyses standards est observé. Cette méthode a été ensuite utilisée pour diverses analyses de sources de rayons gamma.La prise en compte des effets de la focalisation de l'analyse de données de H.E.S.S. II est détaillée. L'ajustement de la distance entre la caméra et les miroir du cinquième télescope permet d'améliorer l'image dans le plan focal. L'amélioration de la reconstruction et le gain en sensibilité qui en découle est présenté.L'étude du rayonnement gamma de quatre candidats d'associations de vestiges de supernova et de nuages moléculaires est présentée : G349.7+0.2, W51, la nébuleuse de la Tornade, et HESS J1745-303. Une interprétation de ce rayonnement utilisant également les données de Fermi-LAT permet d'estimer l'origine dominante des mécanismes d'émission et d'appréhender l'efficacité d'accélération de particules par ces systèmes.Les travaux présentés dans cette thèse ont fait l'objet de deux notes internes à la collaboration H.E.S.S., de multiples présentations dans des conférences internationales et de publications scientifiques. / The H.E.S.S. experiment is an array of Cherenkov telescopes, located in Namibia, observing the very high energy gamma rays from astrophysical sources. H.E.S.S. greatly increased our understanding of the very high energy non thermal universe. Since 2012, a fifth telescope was installed at the center of the array. This improvement increase the energy range and the sensitivity of the detector.The optimization of a multivariate analysis method, within the H.E.S.S. framework, is presented in this thesis. The Xeff analysis is improved by taking into account the observation conditions and by increasing the number of discriminating variables. The sensitivity of this analysis compared to standard analyses is demonstrated. Xeff is then used to analyze several sources of gamma rays.The effects of the focus impacting the H.E.S.S. II data are described. They are taken into account in the analysis and an optimization of the distance between the mirrors and the camera is presented.The study of the gamma emission from four candidates of molecular clouds and supernova remnant associations is presented. The H.E.S.S. data from G349.7+0.2, W51, the Tornado nebula and HESS J1745-303 is performed. The interpretation of their emission, using also Fermi-LAT data, leads to the estimation of the particles acceleration efficiency in these objects.The work described in this thesis led to the production of two internal notes in the H.E.S.S. collaboration, to several presentations in international conferences, and scientific publications.

OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) est une expérience sur faisceau de neutrino située dans le Hall C du laboratoire souterrain du Gran Sasso (LNGS), en Italie, à une profondeur équivalente à 3.8 km d'eau (correspondant à une coupure en énergie à 1.5 TeV pour les muons à la surface). L'objectif premier d'OPERA est l'observation directe de l'oscillation νμ ➝ ντ dans le secteur des neutrinos atmosphériques par apparition d'événements ντ à 730km de la cible, dans un faisceau (CNGS) quasiment pur en νμ. OPERA est un détecteur hybride contenant une partie cible (~125 000 briques composées d'une succession de feuilles d'émulsion et de plomb) instrumentée et d'un spectromètre. La prise de données a commencé en 2006 et 55 000 événements neutrinos ont été enregistrés à ce jour. Le premier candidat ντ a été observé cette année. Le travail produit pendant cette thèse est axé suivant trois sujets principaux : la définition de règles de déclenchement du système d'acquisition du trajectographe pour les événements neutrinos du faisceau, la synchronisation des éléments du trajectographe et des plans de RPC ainsi que l'implémentation des résultats dans la simulation et l'étude de la faisabilité d'une analyse des oscillations des neutrinos atmosphériques dans les données hors-faisceau. La modification des règles de déclenchement du trajectographe a permis d'atteindre les valeurs proposées dans le proposal d'OPERA, ie une efficacité de déclenchement supérieure à 99%. Cette évolution a été rendu possible par la mise en place de fenêtres en temps en coïncidence avec le faisceau CNGS pendant lesquelles les coupures sont abaissées, permettant de récupérer les événements de basse multiplicité. Une étude poussée de l'intercalibration des détecteurs électroniques a permis la synchronisation de l'ensemble des informations venant des éléments du trajectographe et des RPC. Les résultats de cette analyse sont maintenant inclus dans la simulation du détecteur. Le travail de calibration a permis de produire une étude sur l'oscillation des neutrinos atmosphériques "hors-faisceau" grace à la détection de particules montantes. Les analyses présentées dans cette thèse ont permis une meilleure compréhension du détecteur d'OPERA et démontré sa capacité à observer des phénomènes ne dépendant pas du faiseau CNGS. Des analyses sur la détection des neutrinos atmosphériques et la caractérisation du flux de muons cosmiques (variations saisonnières entre autres) sont désormais possibles grace à la statistique accumulée et la compréhension plus fine des systèmes d'acquisition. Les corrections sur la propagation des signaux dans les détecteurs électroniques sont aujourd'hui utilisées pour la mesure de la vélocité des neutrinos du faisceau / OPERA (" Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus ") is a neutrino beam experiment located in hall C of the Gran Sasso underground laboratory (LNGS), in Italia, under a equivalent of 3.8 km water (corresponding to a cut at 1.5 TeV for the muons). The first purpose of OPERA is the direct observation of the νμ ➝ ντ oscillation in the atmospheric sector observing an ντ appearance 730 km away from the target in a quasi pure νμ beam (CNGS). OPERA is an hybrid detector with an instrumented target part (~125 000 bricks made with emulsion and lead sheets) and a spectrometer. The data taking have started in 2006 and 55 000 events have been registred. The first ντ candidate have been observed this year. The work done during this thesis is oriented around three main topics : Define the trigger rules of the target tracker acquisition system for beam neutrino events, synchronise target tracker and RPC elements, implement the results inside the simulation and the study of the feasibility of an atmospheric neutrino analysis using off-beam data. The new trigger rules succeeds to reach the values of OPERA proposal, ie a trigger efficiency greater than 99%. This improvement have been done thanks to coincidence time windows with the CNGS beam during which lower cut are applied, allowing low multiplicity events to be kept. A deep study of electronic detectors intercalibration makes possible the target tracker and RPC data synchronisation. The analysis results are now included in the official simulation. This calibration work have been then used for a study of " off-beam " atmospheric neutrino oscillation thanks to the selection of up-going particles. The analysis showed in the thesis have improved the OPERA detector understanding and demonstrate the feasability of an observation of phenomenoms independant from the CNGS beam. Analysis on atmospherics neutrino detection and muons flux caracterisation (seasonal variations for example) are now possible thanks to the accumulated statistics and the deeper understanding of the acquisition systems. Correction on signal propagation inside the electronic detectors are now used for a neutrino velocity measurement

La description actuelle des interactions fondamentales repose sur deux théories ayant le statut de modèle standard. Les interactions électromagnétiques et nucléaires sont décrites à un niveau quantique par le Modèle Standard de la physique des particules, alliant théories de jauge et brisures spontanées de symétrie par le mécanisme de Higgs. À l'opposé, l'interaction gravitationnelle est décrite par la relativité générale,basée sur une description dynamique de l'espace-temps dans un cadre classique.Bien que ces deux modèles soient vérifiés avec une grande précision dansle système solaire, ils sont affligés d’un certain nombre de problèmes théoriques et manquent de force prédictive aussi bien à l'échelle de Planck qu’à l'échelle cosmologique ;ils ne sont par conséquent plus perçus comme fondamentaux. La cosmologie, dont la phénoménologie fait apparaitre ces deux échelles extrêmes, apparaît alors comme un laboratoire privilégié pour tester les théories au delà de ces modèles standards.La première partie de cette thèse concerne l'étude des cordes cosmiques, défauts topologiques se formant lors de la brisure spontanée de théories de grande unification dans l'univers primordial.J’y montre notamment comment étudier ces défauts en prenant en compte la structure complète des théories de physique des particules dont ils sont issus, ce qui représente une avancée importante par rapport à la description courante en termes de modèles ”jouets”très simplifiés. La deuxième partie de cette thèse consiste en la construction et l'étude de différentes théories de gravité modifiée liées au modèle de Galiléon, un modèle tentant notamment d'expliquer la phénoménologie liée à l'énergie noire. / The current description of fundamental interactions is based on two theories with the status of standard models. The electromagnetic and nuclear interactions are described at a quantum level by the Standard Model of particle physics, using tools like gauge theories and spontaneous symmetry breaking by the Higgs mechanism. The gravitational interaction is described on the other hand by general relativity, based on a dynamical description of space-time at a classical level.Although these models are verified to high precision in the solar system experiments, they suffer from several theoretical weaknesses and a lack of predictive power at the Planck scale as well as at cosmological scales; they are thus not viewed anymore as fundamental theories. As its phenomenology involves both these extreme scales, cosmology is then a good laboratory to probe theories going beyond these standard models.The first part of this thesis focus on cosmic strings, topological defects forming during the spontaneous symmetry breaking of grand unified theories in the early universe. I show especially how to study these defects while taking into account the complete structure of the particles physics models leading to their formation, going beyond the standard descriptions in terms of simplified toy-models. The second part is devoted to the construction and the examination of different theories of modified gravity related to the Galileon model, a model which tries in particular to explain the dark energy phenomenology.

Ce travail trouve son origine dans l’étude d’une stèle funéraire exposée aujourd’hui au Musée archéologique d’Apollonia d’Illyrie, sous le numéro d’inventaire 5030. Le relief, exceptionnel à plus d’un titre, montre une descente aux Enfers par le biais d’un accessoire qui tient autant de l’échelle et de l’escalier que de la passerelle de bateau, puisqu’il aboutit dans la barque de Charon. Comment le dénommer ? C’est le terme grec klimax qui s’impose. Non seulement il renvoie indistinctement aux trois objets précités, en préservant leur multivalence, mais il est aussi le plus largement et le plus anciennement utilisé dans la littérature et l’épigraphie pour les désigner. Dans notre enquête, il est rapidement apparu que la klimax n’avait pas été étudiée pour elle-même par les archéologues qui s’y sont confrontés. Afin de pallier cette lacune, notre travail se consacre tout d’abord au motif de la klimax dans l’art antique, essentiellement dans le cadre légendaire. Klimakes d’assaut, d’embarquement et de débarquement, ou encore klimakes du théâtre antique, forment autant de thèmes examinés où la klimax joue un rôle clé. Une étude circonstanciée du relief d’Apollonia, centrée sur les problèmes que pose son iconographie, complète l’enquête. Cela se justifiait non seulement par la place particulière qu’occupe, dans l’imagerie antique, la scène figurée, mais aussi, et surtout, parce que le motif de la klimax y trouve un emploi exemplaire. / This work finds its origin in the study of a funerary relief exposed today at the Archaeological Museum of Apollonia in Illyria, under the inventory number 5030. The relief, exceptional in more than one way, shows a descent into the Underworld through an accessory that is both a ladder and a staircase as a gangway, as it ends up in Charon’s boat. How to call it ? This is the greek word klimax who’s imposed. Not only because it refers indistinctly to the three items mentioned above, preserving their polyvalence, but it is also the most widely and longest used in the literature and epigraphy to designate them. In our survey, it soon emerged that the klimax had not been studied for itself by archaeologists who confronted themselves there. To fill this gap, our work focuses first on the klimax in the ancient art, mainly through mythological context. Klimakes of assault, klimakes of boarding and landing, klimakes in relation with the ancient theater, form as many examined topics where the klimax plays a key role. A detailed study of the relief of Apollonia, which focuses on his iconography’s problems, completes the survey. That was justified not only by the particular place which occupies, in the ancient imagery, the sculpted scene, but also, and especially, because the klimax find here an exemplary use.