La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée.

Élucider le mystère de la matière noire est l’un des plus grands défis de la physique moderne, à l’interface entre l’astrophysique, la cosmologie et la physique des particules. Dans cette thèse, j’aborde différents aspects de la recherche indirecte des particules de matière noire, approche complémentaire à la détection directe et à la production dans des collisionneurs. Nous entrons dans une nouvelle ère grâce à des instruments remarquables et c’était donc le moment opportun pour s’attaquer au problème du profil de densité de matière noire au centre des galaxies par des méthodes originales. C'est la motivation principale de ma thèse. Dans ce travail, je tire parti des avancées technologiques afin d’explorer de nouvelles façons d’étudier la région centrale des halos de matière noire. Je me concentre en particulier sur les pics de matière noire, qui correspondent à des augmentations extrêmement fortes de la densité de matière noire pouvant être induites par les trous noirs supermassifs. Je montre qu’il est possible d’aller au-delà des recherches standards en étudiant les photons émis par des électrons et positrons produits dans les processus d’annihilation des particules de matière noire. Dans ce contexte, je décris une nouvelle technique pour modéliser la propagation des rayons cosmiques pour des profils d'injection très piqués. Je développe des modèles originaux de l’émission diffuse dans les régions centrales des galaxies, pour la Voie Lactée mais également pour d’autres galaxies, ce qui permet d’expliquer certaines observations récentes et de faire des prédictions pour des observations futures. / Unveiling the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics, at the interface between astrophysics, cosmology and particle physics. In this thesis, I tackle various aspects of indirect searches for dark matter particles, which provide a complementary approach to direct detection or collider experiments. We are now entering into an era of instruments with outstanding capabilities, so it was timely to tackle the problem of the dark matter density profile at the centers of galaxies with novel methods, which motivated this thesis. Taking advantage of these technological advances, I investigate new ways of probing the very central part of dark matter halos, especially focusing on dark matter spikes, i.e. very strong enhancements of the dark matter density that can form around supermassive black holes. I show that we can go beyond standard dark matter searches by studying photon emission from electrons and positrons produced in dark matter annihilation processes. In this context, I describe a new cosmic-ray propagation technique to account for injection by spiky distributions at the centers of galaxies. I develop novel models of the diffuse emission in the central regions of galaxies, focusing not only on the center of the Milky Way, but on the central regions of other galaxies as well. This allows me to explain recently reported observations and make predictions for future observations.

La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée. / The Dark Matter problem is one of the most relevant quests for the understanding of the elementary constituents of the Universe: the nature of the Dark Matter is still unveiled. Experimental efforts aiming to detect the Dark Matter have shown a great progress in the last decade. This work is devoted to the phenomenological and astroparticle studies of Dark Matter candidates of supersymmetric nature -the neutralino- and beyond -scalar particles. The former, in the 1-100 GeV mass range, is currently being tested by the Large Hadron Collider, direct detection and indirect detection experiments; this work shows that the interplay between techniques is a decisive tool to thoroughly search for theoretical predictions. The latter is a non-standard candidate as light as 1 MeV which could be copiously produced at the Large Hadron Collider, and at the same time explain other phenomena such as neutrino masses and/or the 511 keV line from the galactic center of the Milky Way.

Ce mémoire aborde la problématique de la matière noire, sous des angles à la fois phénoménologiques et expérimentaux. Dans le MSSM, la matière noire froide et non-baryonique, mise en évidence aux différentes échelles de l'univers par ses effets gravitationnels, trouve une origine sous la forme de fermions de Majorana : les neutralinos. Ces particules peuvent en principe s'annihiler dans zones où elles sont naturellement concentrées, comme le coeur des halos de galaxies, et être à l'origine de rayonnement gamma. Or, les flux prédits pour ces modèles sont génériquement faibles au regard des sensibilités expérimentales. Après avoir établi des prédictions de flux de photons gamma pour les galaxies M31 et Draco dans le cadre du MSSM, nous généralisons les couplages du MSSM au moyen d'un lagrangien effectif. Nous montrons que la seule contrainte d'une densité fossile d'intérêt cosmologique suffit évidemment à réduire considérablement les flux de photons, indépendamment de la nature quantique de la matière noire (fermions de Dirac/Majorana), mais que des couplages effectifs permettent d'atteindre des prédictions plus optimistes. Enfin, nous présentons la recherche de signature de matière noire supersymétrique opérée avec le télescope à effet Tcherenkov CELESTE, reposant sur l'observation de la galaxie M31. Nous développons une méthode de reconstruction spectrale, préalable à la recherche d'un signal exotique. L'analyse des données collectées sur M31 permet d'obtenir la première limite expérimentale sur une galaxie dans l'intervalle 50-500 GeV, et fournit une information astrophysique dépassant la seule problématique de la matière noire.

Deux problématiques sont abordées dans cette thèse: la formation de galaxies spirales et la détection de la matière noire (MN).Nous étudions trois simulations cosmologiques hydrodynamiques de haute résolution zoomées sur des halos de propriétés similaires à celui de la Voie Lactée que nous réalisons avec le code à grille adaptative RAMSES. Nous analysons les distributions d'étoiles et de gaz et constatons qu'une de nos galaxies simulées possèdent des propriétés intéressantes par rapport à la Voie Lactée. Nous obtenons un disque stellaire étendu et une courbe de rotation plate avec la vitesse de rotation et la densité locale de MN en accord avec les observations. En ce qui concerne la distribution de MN, nous analysons l'interaction avec les baryons et nous montrons explicitement comment le profil de densité de MN est aplatie par les processus de feedback.Dans le cadre de cette simulation, nous étudions les incertitudes astrophysiques sur la détection directe en analysant les quantités importantes comme la densité locale de MN, sa distribution de vitesse et la vitesse d'échappement locale. De plus, nous considérons plusieurs sélections de distribution de MN et d'étoiles et estimons ainsi la variabilité du taux de détection.Dans le cadre cohérent de la simulation, nous calculons les signaux d'annihilation et de désintégration de MN en rayons gamma ainsi que le fond diffus, que nous modélisons en utilisant les explosions de supernovae comme sources de rayons cosmiques qui produisent les rayons gamma par spallation sur la distribution de gaz. Les configurations de la matière noire et des baryons induisent une situation défavorable à la détection indirecte de la MN. / The thesis tackles two topics: the formation of spiral galaxies and the detection of dark matter (DM).We study three high resolution cosmological hydrodynamical simulations of Milky Way-sized halos including a comparison with the corresponding DM-only runs performed with the code RAMSES. We analyze the stellar and gas distribution and find one of our simulated galaxies with interesting Milky Way like features with regard to several observational tests. We obtain an extended disk and a flat rotation curve with a circular velocity and a DM density in the solar neighborhood that are in agreement with observations. Following observational procedures, we rederive the stellar-to-halo mass ratio and obtain competitive values for this criterion. Concerning the DM distribution, we explicitly show the interaction with the baryons and show how the DM is first contracted by star formation and then cored by feedback processes.In the framework of the simulation, we analyze the astrophysical uncertainties relevant for direct detection by studying the involved quantities like the local DM density, the DM velocity distribution and the local escape velocity . Furthermore, we consider various selections of DM and star distributions and estimate the variability of the detection rate.Within the self-consistent framework of the simulation, we calculate the DM annihilation and decay gamma ray (GR) signals as well as the diffuse GR background, that we model using the supernovae explosions as cosmic ray sources which produce GRs by spallation on the gas distribution. The cored DM profile and the high central baryonic densities induce a challenging configuration for indirect DM detection.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la propagation des électrons et positrons cosmiques dans la Voie Lactée ainsi qu'à la détection indirecte de matière sombre. L'existence de la matière sombre dans l'Univers est une hypothèse raisonnable du point de vue de la cosmologie, de l'astrophysique mais également de la physique des particules. Pourtant sa détection nous échappe encore et il n'est pas possible de vérifier la validité de cette hypothèse autrement que par des moyens faisant intervenir la gravitation. L'une des voies possibles pour la détection de la matière sombre et la compréhension de ses propriétés, consiste à chercher les produits de son annihilation ou de sa désintégration dans les rayons cosmiques Galactiques. Durant ces trois dernières années, les données concernant les flux d'électrons et de positrons cosmiques se sont accumulées et ont atteint des précisions remarquables. Une telle précision expérimentale exige que l'on rafine les modèles théoriques et que l'on quantifie les erreurs. Cette thèse s'efforce donc de recenser et de quantifier toutes les sources d'incertitudes des prédictions de flux d'électrons et de positrons cosmiques, qu'ils soient primaires ou secondaires, classiques ou exotiques. La plus grande attention a été portée sur les sources et la propagation dans le halo Galactique. De plus, une étude des émissions gamma et radio associées à ces rayons cosmiques est présentée, toujours avec la même volonté de mesurer les incertitudes. Enfin, un état des lieux de la recherche de détection de l'annihilation ou de la désintégration de la matière sombre galactique est présenté.

Ce document est constitué de deux parties et de deux annexes . Dans le chap. 1, je parle de la composante nucléaire du rayonnement cosmique galactique, des enjeux astrophysiques et ceux reliés à la matière noire. Le chap. 2 est consacré à l'étude des émissions gamma dues à l'annihilation de matière noire. Le fil conducteur est la recherche indirecte de matière noire, qui passe par la maîtrise du signal et des fonds astrophysiques. Chaque partie propose une introduction du sujet, un état des lieux, une compilation des résultats obtenus et quelques perspectives et directions de recherches à développer pour les années à venir. La conclusion générale revient sur le lien et la complémentarité des particules chargés et neutres et l'articulation de ces deux messagers pour de futures études hors de la Galaxie. L'annexe A présente quelques outils développés utilisés pour ces études et qui ont été rendus publics. L'annexe B, un peu plus personnelle, revient sur mon parcours, mon CV et le rôle que j'ai pu avoir dans l'encadrement d'étudiants de master et de thèse et dans l'animation scientifique.