Le paradigme ΛCDM est le modèle standard de la cosmologie. Dans ce modèle, l'univers est constitué aujourd'hui en majeure partie par de la matière noire froide (CDM) et la constante cosmologique Λ qui produit l'accélération cosmique. Cependant, ce modèle standard n'est pas entièrement complet. L'utilisation de la constante cosmologique introduit des problèmes théoriques dans une description de la théorie des champs quantiques et des indications observationnelles suggèrent que notre description à grande échelle de l'univers devrait être affinée. Ainsi, trouver des alternatives au modèle standard est d'une importance cruciale aujourd'hui. / The ΛCDM paradigm is the standard model of cosmology. In this model, the universe is constituted today for the major part by Cold Dark Matter along with the Cosmological Constant Λ that drives cosmic acceleration. However, this standard model is not fully complete. Using the Cosmological Constant introduces theoretical issues in a quantum field theory description and tentative observational evidences suggests our large scale description of the universe should be refined. Finding alternatives to the standard model is therefore of crucial importance today.

Dans cette thèse, notre étude porte sur les défauts topologiques en cosmologie et en physique de la matière condensée. Nous proposons d’étudier l’analogie entre les défauts qui apparaissent dans ces domaines. Par exemple, nous discutons l’analogie entre les cordes cosmiques et les disinclinaisons présentes dans les cristaux liquides. Cependant, nous concentrons nos efforts sur l’étude de la gravité et des aspects géométriques des défauts linéaires; cordes cosmiques «ondulées» et les disinclinaisons hyperboliques. Le champ gravitationnel des cordes ondulées est analogue à celui des cordes régulières mais avec un potentiel newtonien non nul. Pour cette raison, outre le fait que l’espace-temps a une géométrie conique, les cordes produisent également une traction gravitationnelle sur les objets situés dans leur voisinage. Ceci a pour conséquence: l’apparition de nouveaux effets en plus de la lentille gravitationnelle. En réalité, nous constatons que les champs massiques et non-massiques sont confinés au voisinage de la corde quand nous examinons la propagation non perpendiculaire à son axe. Cette affirmation est basée sur l’analyse des trajectoires et l’application du formalisme ondulatoire. Enfin, nous proposons la conception d’un guide d’onde optique ayant l’indice de réfraction spécifique permettant de simuler l’effet des cordes ondulées en laboratoire. Bien que la disinclinaison hyperbolique soit très similaire à la disinclinaison ordinaire, le milieu résultant est un métamatériau anisotrope dans lequel le rapport entre les permittivités ordinaire et extraordinaire est négatif. En fait, notre analyse concernant la disinclinaison hyperbolique étant très proche de la précédente pour la corde ondulée, nous appliquons alors le formalisme ondulatoire avec des traitements d’optique géométrique pour comprendre la propagation de la lumière. Nous trouvons que pour un agencement spécifique du champ directeur du cristal liquide hyperbolique, la lumière est confinée et dirigée vers l’axe du métamatériau. Plus précisément, on obtient un dispositif optique qui concentre les rayons de lumière, quelles que soient les conditions d’injection / In this thesis, we study topological defects in cosmology and condensed matter physics. We propose to investigate the analogy between defects that appear in these two realms with respect to aspects of formation and gravity. For instance, we discuss the analogy between cosmic strings and disclinations existing in liquid crystals. In particular, we concentrate our efforts on the study of gravity/geometric aspects of two linear defects: wiggly cosmic string and hyperbolic disclination. The gravitational field of wiggly strings is analogous to the one of regular strings, but with a non-vanishing Newtonian potential. For that reason, besides the spacetime has conical geometry, the string also produces gravitational pullings on objects located in its vicinity. This new fact leads to new effects in addition to the already expected gravitational lensing. In fact, we find that both massive and massless fields are confined to the string when we examine non-perpendicular propagation to the string axis. This statement is based on the analysis of trajectories and by applying the wave formalism. Finally, we propose the design of an optical waveguide having the specific refractive index likely to simulate the effects of wiggly strings in the laboratory. Even though the hyperbolic disclination is very similar to the ordinary one, the resulting medium is an anisotropic metamaterial, in which the ratio between ordinary and extraordinary permittivities is negative. In fact, as our analysis concerning the hyperbolic medium is very close to the previous one for the wiggly string, we also apply the wave formalism together with geometrical optics treatment to understand how light propagates. Interestingly, we find that for one specific director field arrangement of the hyperbolic liquid crystal metamaterial, light is confined and directed to the metamaterial axis. More specifically, we come into possession of an optical device that concentrates light rays, no matter how they are injected in it

L’un des plus grands défis de la cosmologie moderne est d’expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers dans son histoire récente. La découverte de cette accélération s’est faite grâce à des mesures de supernovae, ces dernières restant les sondes les plus puissantes pour charactériser cette accélération. Cette thèse vise à présenter l’analyse finale du Supernova Legacy Survey (SNLS) qui sera publiée en 2015. Nous commençons par présenter les fondements théoriques de la cosmologie moderne, en nous focalisant en particulier sur les défis théoriques que présente cette accélération. Nous introduisont ensuite les supernovae de type Ia (SNIa) et justifions leur usage en tant que sonde cosmologique. Par la suite, nous donnons un aperçu global de l’expérience SNLS. Nous abordons alors les aspects techniques de l’analyse. Nous commençons par l’exploration du processus de photométrie, utilisé pour la mesure des supernovae. Nous détaillons alors la nouvelle méthode de photométrie implémentée par SNLS qui évite le rééchantillonnage des images. Nous explorons aussi les simulations mise en œuvre dans le but de garantir la linéarité de la méthode au dessous de 1 pour mille. Nous explorons ensuite la procédure de calibration associée à ces mesures utilisant des étoiles de champ dont la précision de calibration atteint les 3.5 pour mille. Enfin, nous terminons avec une description détaillée de la mise en oeuvre de tous les outils présentés, afin d’extraire des paramètres cosmologiques des données. Afin d’estimer la capacité de SNLS à contraindre les paramètres cosmologiques, nous contruisons un diagramme de Hubble grâce à une analyse préliminaire des données incluant 960 supernovae, dont 450 provenant du SNLS. La combinaison de ce diagramme de Hubble avec des contraintes apportées d’autres sondes cosmologiques mène à une incertitude sur le paramètre de l’équation d’état de l’énergie noire de 0.048, la mesure la plus précise jusqu’à nos jours. / A significant open question of modern cosmology is explaining the accelerated expansion of the universe in late times. The discovery of this acceleration was made using supernova measurements, which continue to be the most significant probe with which to characterize this acceleration. This thesis concerns itself with presenting the final analysis of the Supernova Legacy Survey (SNLS) which will be published in 2015. We begin by presenting the theoretical foundations of modern cosmology, with special emphasis on the challenges presented by acceleration. We then introduce type Ia supernovae (SNIa) and motivate their use as probes of cosmic expansion. Afterwards, we give an overview of the SNLS experiment. We then move on to the technical aspects of the analysis that was carried out. We start by exploring the process of photometry, with which supernova measurements are made. Here we look at the newly implemented photometry method that avoids resampling images. We also explore simulations aimed at ensuring the method’s linearity up to less than 1 per mille. We then explain the calibration process associated with these measurements using field stars calibrated up to the 3.5 per mille level. Finally, we end with an in depth look at the cosmology analysis itself, which utilizes all the tools we have explored to extract cosmological parameters from the data. To estimate the constraining power of the SNLS experiment, we undertake a preliminary analysis of the data by constructing a Hubble diagram using 960 supernovae, of which 450 come from the SNLS. Combining this Hubble diagram with constraints from other cosmological probes leads to an uncertainty on the equation of state parameter of dark energy of 0.048, its most preciseconstraint to date.

L'objet de cette thèse est le spectre de puissance à une dimension du flux transmis dans les forêts Lyman-alpha. Les forêts Lyman-alpha sont un motif d'absorption observé dans les spectres de quasars correspondant à l'absorption de la lumière du quasar par les nuages d'hydrogène le long de la ligne de visée. C'est un outil cosmologique puissant car il sonde des échelles relativement petites de l'ordre de quelques Mpc. Il est aussi sensible à de petits effets non-linéaires tel que celui produit par des neutrinos massifs.Premièrement, nous avons développé deux méthodes indépendantes pour mesurer le spectre de puissance. La première est fondée sur une transformée de Fourier et la seconde sur une fonction de vraisemblance. Les deux méthodes sont indépendantes et ont des incertitudes systématiques différentes. La détermination du niveau de bruit dans les données spectrales a fait l'objet d'un traitement particulier, du fait de son impact significatif sur le spectre de puissance calculé. Nous avons appliqué ces méthodes à 13821 spectres de quasars provenant de la 9e publication de données de l'expérience BOSS sélectionnés à partir d'un échantillon de plus de 60000 spectres sur des critères comme le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale. Les deux spectres de puissance mesurés sont en bon accord sur les douze domaines de décalage vers le rouge (<z>=2.2 à <z>=4.4) et sur l'ensemble des échelles (0.001 (km/s)^−1 à 0.02 (km/s)^−1). Nous avons soigneusement déterminé les incertitudes systématiques d'origine instrumentale et méthodologique de notre mesure.Ensuite, nous présentons un ensemble de simulations cosmologiques N-corps incluant de la matière noire, du gaz baryonique et des neutrinos visant à modéliser les régions de basse densité sondées par les forêts Lyman-alpha. Les simulations sont conçues pour répondre aux exigences de précision des données BOSS et eBOSS. Elles comportent 768^3 ou 192^3 particules de chaque type et explorent des volumes allant de (25 Mpc/h)^3 pour les simulations haute résolution à (100 Mpc/h)^3 pour les simulations grand volume. En utilisant une technique de raboutage, nous atteignons une précision équivalente à une simulation comportant 3072^3 particules de chaque type dans un volume de (100 Mpc/h)^3. Nous montrons que cette technique est précise à 2% sur des échelles allant de quelques Mpc jusqu'à quelques dizaines de Mpc. Nous explorons l'effet sur le spectre de puissance de 4 paramètres cosmologiques (n_s, sigma_8, Omega_m ,H_0), 2 paramètres astrophysiques (T_0, gamma) décrivant la relation température/densité du milieu intergalactique et de la somme des masses des neutrinos. En faisant varier ces paramètres autour d'un modèle central choisi en accord avec les résultats de Planck, nous avons construit une grille de simulations, permettant non seulement l'étude de l'effet de chaque paramètre individuellement mais aussi l'effet de chaque paire de paramètres. Nous obtenons ainsi un développement au deuxième ordre complet, incluant les termes croisés, autour de notre modèle central. Nous avons vérifié la validité de ce développement avec des simulations indépendantes obtenues soit avec des paramètres différents soit une graine différente pour la génération des conditions initiales. Une comparaison entre le spectre de puissance mesuré à partir des données dans la première partie et celui obtenu à partir de nos simulations montre un excellent accord.Enfin, même s'il reste des biais potentiels et des erreurs systématiques à étudier dans nos simulations, nous avons réalisé des ajustements en combinant notre mesure du spectre de puissance à d'autres sondes cosmologiques comme les mesures du fond diffus cosmologique par le satellite Planck. Ces résultats préliminaires sont très encourageants car ils mènent à des contraintes sur les paramètres cosmologiques parmi les plus précises à ce jour, en particulier sur la sommes des masses des neutrinos avec une limite supérieure à 0.1 ev. / The framework of the studies presented in this thesis is the one-dimensional power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha forests. The Lyman-alpha forest is an an absorption pattern seen in the spectra of high redshift quasars corresponding to the absorption of the quasar light by the hydrogen clouds along the line of sight. It is a powerful cosmological tool as it probes relatively small scales, of the order of a few Mpc. It is also sensible to small non-linear effects such as the one induced by massive neutrinos.First, we have developed two independent methods to measure the one-dimensional power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha forest. The first method is based on a Fourier transform, and the second on a maximum likelihood estimator. The two methods are independent and have different systematic uncertainties. The determination of the noise level in the data spectra was subject to a novel treatment, because of its significant impact on the derived power spectrum. We applied the two methods to 13,821 quasar spectra from SDSS-III/BOSS DR9 selected from a larger sample of over 60,000 spectra on the basis of their high quality, large signal-to-noise ratio, and good spectral resolution. The power spectra measured using either approach are in good agreement over all twelve redshift bins from <z>=2.2 to <z>=4.4, and scales from 0.001 (km/s)^−1 to 0.02 (km/s)^−1. We carefully determined the methodological and instrumental systematic uncertainties of our measurements.Then, we present a suite of cosmological N-body simulations with cold dark matter, baryons and neutrinos aiming at modeling the low-density regions of the IGM as probed by the Lyman-alpha forests at high redshift. The simulations are designed to match the requirements imposed by the quality of BOSS and eBOSS data. They are made using either 768^3 or 192^3 particles of each type, spanning volumes ranging from (25 Mpc/h)^3 for high-resolution simulations to (100 Mpc/h)^3 for large-volume ones. Using a splicing technique, the resolution is further enhanced to reach the equivalent of simulations with 3072^3 = 29 billion particles of each type in a (100 Mpc/h)^3 box size, i.e. a mean mass per gas particle of 1.2x10^5 solar masses. We show that the resulting power spectrum is accurate at the 2% level over the full range from a few Mpc to several tens of Mpc. We explore the effect on the one-dimensional transmitted-flux power spectrum of 4 cosmological parameters (n_s, sigma_8, Omega_m ,H_0), 2 astrophysical parameters (T_0, gamma) related to the heating rate of the IGM and the sum of the neutrino masses. By varying the input parameters around a central model chosen to be in agreement with the latest Planck results, we built a grid of simulations that allows the study of the impact on the flux power spectrum of these seven relevant parameters. We improve upon previous studies by not only measuring the effect of each parameter individually, but also probing the impact of the simultaneous variation of each pair of parameters. We thus provide a full second-order expansion, including cross-terms, around our central model. We check the validity of the second-order expansion with independent simulations obtained either with different cosmological parameters or different seeds for the initial condition generation. Finally, a comparison to the one-dimensional Lyman-alpha forest power spectrum obtained in the first part with BOSS data shows an excellent agreement.Eventually, even if there are still some potential biases and systematic errors that need to be studied in our simulation, we performed cosmological fits combining our measurement of the one-dimensional power spectrum and other cosmological probes such as the CMB results provided by Planck. These preliminary results are very encouraging as they lead to some of the tighest cosmological constraints as of today, especially on the sum of the neutrino masses with an upper limit of 0.1 eV.

En dépit des récents succès de la cosmologie observationnelle, la majeure partie de l'univers demeure méconnue: la matière usuelle, dite baryonique, ne représente que 5% du contenu total de l'univers. Dans le modèle cosmologique standard, deux autres composantes complètent notre description: l'énergie noire et la matière noire (respectivement 70% et 25% du contenu total). Dans cette thèse, nous nous intéressons à la matière noire, une nouvelle forme de matière qui doit être non-relativiste, non-baryonique et neutre de charge. Nous avons étudié deux candidats : les WIMPs et les axions. Toutes nos analyses ont été menées au sein de la collaboration EDELWEISS, qui opère des détecteurs sensibles à un éventuel signal de WIMP ou d'axion. Les axions ont d'abord été introduits pour résoudre le problème de la symétrie CP en chromodynamique quantique. Ils peuvent être produits dans le soleil par des processus divers et, dans certains modèles, peuvent contribuer à la densité de matière noire. Nous avons utilisé les données d'EDELWEISS pour la recherche d'axions suivant quatre modes de production-détection distincts. Ces mécanismes font intervenir le couplage des axions aux nucléons, aux photons et aux électrons. Nous n'avons observé aucun excès de signal par rapport au bruit de fond. Ces constatations nous ont permis d'obtenir des contraintes fortes sur la valeur de chaque couplage d'axion et d'exclure plusieurs ordres de grandeur de la masse de l'axion dans le cadre de modèles spécifiques de QCD. Les WIMPs font partie des candidats à la matière noire les plus étudiés. Ce sont des particules interagissant faiblement avec une masse pouvant aller du GeV au TeV. Des modèles théoriques et des résultats expérimentaux récents semblent converger vers des masses faibles (de l'ordre de quelques GeV). à la lumière de ces développements, nous avons donc choisi de privilégier l'étude des WIMPs de basse masse (de 3 à 25 GeV). Nous avons mis en place une analyse multivariée particulièrement adaptée à la recherche de WIMPs de basse masse. Cette analyse a été optimisée sur une fraction de 35 kg.jour du jeu de données EDELWEISS complet. Nous n'avons pas observé d'excès de signal par rapport au bruit de fond attendu. Par conséquent, nous avons calculé une limite supérieure sur la section efficace WIMP-nucléon spin-indépendante de 1.48 × 10⁻⁶ pb à 10 GeV. / In spite of the recent successes of observational cosmology, most of the universe remains poorly known. Known particles (which we call baryons) only make up 5% of the total content of the universe. The standard cosmological model contains two other components: Dark Energy and Dark Matter (respectively 70% and 25% of the total content). Dark Matter, which is generally believed to be a non-relativistic, charge neutral and non-baryonic new form of matter, is the central focus of this work. We studied two likely candidates, namely WIMPs and axions. Our analyses were carried out within the EDELWEISS collaboration which operates detectors sensitive to both WIMP and axion signals. Axions were first introduced to solve the strong CP problem. They can be produced in the Sun through a variety of processes and in some models, they may also contribute to the Dark Matter density. In this work, we used EDELWEISS data to search for axions through four distinct production-detection mechanisms. These mechanisms involve the coupling of axions to nucleons, photons and electrons. No excess over background was found. These null observations allowed us to set stringent constraints on the axion couplings and exclude several orders of magnitude of the axion mass within specific QCD axion models. On the other hand, WIMPs are the canonical dark matter candidate whose mass lies in the GeV-TeV range. With the motivation of recent theoretical developments and possible signal hints, we focused our effort on so-called low mass WIMPs (3 to 25 GeV). This thesis describes a new multivariate analysis specifically designed for this mass range, which we tuned using an unblinded fraction of the data set (35 kg.d) from a single EDELWEISS detector. No significant signal over background excess was found and we set an upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of 1.48 × 10⁻⁶ pb at 10 GeV.

NIL

Cette thèse s'intéresse à divers aspects de l'univers de Dirac-Milne, un modèle cosmologique dans lequel matière et antimatière sont présentes en quantités égales et où l'on suppose, comme pourrait le suggérer la relativité générale à travers les propriétés des solutions de Kerr-Newman, que l'antimatière possède une masse gravitationnelle active négative. Ces hypothèses permettent de s'affranchir de la nécessité d'introduire Inflation, Énergie Noire et Matière Noire, dont les mises en évidences expérimentales et les motivations théoriques font parfois défaut. La présence en quantités égales de matière de masse positive et d'antimatière de masse négative impose une évolution du facteur d'expansion linéaire par rapport au temps. Après avoir rappelé les concepts basiques de la cosmologie, certaines implications de cette évolution linéaire sont étudiées. L'étude complète de la nucléosynthèse primordiale dans le cadre de ce modèle alternatif permet de montrer qu'une production primordiale de deutérium est rendue possible par la présence d'annihilations résiduelles entre matière et antimatière à des époques précédant la recombinaison. Toutefois, ce mécanisme de production secondaire conduit à une surproduction d'hélium-3, potentiellement incompatible avec les observations. Bien que l'univers de Dirac-Milne ne présente pas d'accélération de l'expansion aux époques récentes, il est montré que ce modèle satisfait raisonnablement bien au test cosmologique des supernovae de type Ia. De même, l'échelle angulaire du premier pic acoustique des fluctuations de température du fond diffus cosmologique apparaît naturellement à l'échelle du degré. Même si l'étude complète du spectre de ces fluctuations et de la cohérence de la notion de masse négative reste encore à approfondir, ce travail pose les bases d'un modèle cosmologique original et potentiellement capable de donner une autre description de notre Univers.

Bien que nous ayons accès à des catalogues de galaxies très détaillés, notre compréhension de la distribution spatiale de la matière noire reste encore limitée. D'importantes informations à son sujet sont cachées dans les vitesses propres des galaxies, qui reflètent la dynamique de la matière noire à différentes échelles. Malheureusement, ces vitesses sont très difficiles à observer. Nous présentons ici une approche différente pour "mesurer" ces vitesses par l'intermédiaire de méthodes de reconstruction des champs de vitesse. Nous utilisons en particulier la reconstruction dîte de Monge-Ampère-Kantorovitch (MAK). Nous testons cette méthode sur des simulations à N-corps ainsi que sur des catalogues virtuels de galaxies. Nous vérifions sa fiabilité par la comparaison des vitesses reconstruites aux vitesses simulées et aussi à travers la mesure de la densité moyenne de matière de ces univers.<br /><br />Après avoir testé cette méthode, nous l'utilisons sur un vrai catalogue de galaxie: le 2MASS Redshift survey. Après l'avoir corrigé des effets observationnels connus, nous étudions l'origine de la vitesse du Groupe Local par rapport au fond diffus cosmologique. Nous montrons que plus de la moitié de notre vitesse est due à des structures situées à plus de 40 Mpc/h. Une fois étudié le mouvement d'ensemble des structures locales, nous comparons directement les vitesses reconstruites et les distances observées dans notre voisinage de 30 Mpc/h. Nous proposons une estimation indépendante du paramètre de densité. Cette estimation peut être utilisée afin de réduire les dégénérescences dans l'espace des paramètres du modèle d'univers à base de matière noire froide.

Cette thèse est consacrée à l'étude d'applications de la théorie des cordes dans deux domaines de la physique fondamentale : la physique des particules et la cosmologie. Le principe unificateur de nos deux travaux est l'utilisation en théorie des cordes du mécanisme, initialement introduit en théorie des champs, de brisure spontanée de (super)symétrie.<br /><br />Nous commençons par une présentation générale de la théorie des cordes, principalement focalisée sur les concepts que nous manierons.<br />Nous introduisons ensuite notre premier travail, dans lequel nous exhibons une dualité de l'espace des vides des théories de supercordes hétérotiques N=1, qui relie les représentations spinorielles et vectorielles du groupe de grande unification. <br />Dans un second travail, nous nous intéressons cette fois à la modélisation par la théorie des supercordes d'une évolution cosmologique à température non nulle et en présence d'une échelle de brisure de supersymétrie. Nous donnons également des arguments pour une stabilisation des divers modules de compactification.

Cette étude porte sur les plus grandes structures auto-cohérentes connues dans l'univers, les amas de galaxies. Du fait de ses conditions thermodynamiques, leur halo de gaz est complètement ionisé. Ce plasma est observable aux longueurs d'onde X par son émission de freinage, ainsi qu'en submillimétrique et en millimétrique via l'effet Sunyaev-\-Zel'dovich (SZ). Cet effet résulte de la diffusion des photons du champ de rayonnement cosmologique par les électrons du milieu intergalactique. Dans un premier temps, nous avons calculé numériquement le spectre exact de l'effet SZ en prenant en compte le comportement relativiste des électrons du gaz. Ainsi, nous avons mis en évidence la forte dépendance de leur forme en fonction de la température du milieu. A l'aide de cet outil, nous avons analysé les données millimétriques du spectrophotomètre DiaBolo en direction de l'amas RXJ1347-1145. Ces observations à haute résolution spatiale ont permis la détection du plus fort signal SZ mesuré jusqu'à présent, ainsi qu'une émission étendue dont la structuration semble différer de celle observée aux longueurs d'onde X. Nous avons ensuite élargi le domaine spectral d'observation aux longueurs d'onde infrarouges et submillimétriques. Ainsi, nous avons obtenu le spectre de l'amas d'Abell 2163 entre 90~$\mu$m et 2.1~mm. Les contraintes imposées par les mesures infrarouges sur l'émission de poussière ont permis d'optimiser la détermination des paramètres SZ. En extrapolant cette étude au cas des missions spatiales, Planck Surveyor et Herschel, nous avons montré que les données SZ sont une source d'information auto-suffisante. Nous avons ainsi quantifié la précision avec laquelle la température du gaz intra-amas pourrait être déduite des observations SZ faites avec ces instruments.