O impacto que estruturas algébricas podem exercer em teorias físicas e bem ilustrado pela Mecânica Quântica, onde os números complexos são inquestionavelmente a escolha mais adequada para desenvolver a teoria. A Relatividade Geral pseudo-complexa avalia a possibilidade da interação gravitacional assumir sua descrição mais natural quando construída tendo como base os números pseudo-complexos, que consistem em uma das três possibilidades de números complexos abelianos com uma unica unidade imaginária. Esse conjunto numérico e dotado de elementos não nulos cujo produto e zero, tais números recebem o nome de zeros generalizados ou divisores de zero. A presença de zeros generalizados permite a introdução de um princípio variacional modificado do qual um termo adicional, ausente na Relatividade Geral, emerge nas equações de campo. Esse termo adicional e interpretado como uma energia escura, cuja origem física está relacionada com flutuações no vácuo. A inclusão desse efeito e legítima pois flutuações no vácuo a priori devem gravitar como qualquer outra forma de energia. Das equações de campo podemos resumir a principal ideia conceitual da teoria, na Relatividade Geral pseudo-complexa massa não apenas curva o espaçotempo como também e capaz de alterar a estrutura do espaço-tempo ao redor da massa. As diferenças com relação a Relatividade Geral se manifestam em situações físicas extremas, no regime de campos gravitacionais intensos. Como aplicação analisamos sob o ponto de vista teórico um objeto compacto exótico composto por matéria escura fermiônica. / The impact that algebraic structures can exert on physical theories is well illustrated by Quantum Mechanics, where complex numbers are unquestionably the most appropriate choice to develop the theory. Pseudo-complex General Relativity evaluates the possibility that the gravitational interaction acquires its most natural description when constructed upon pseudo-complex numbers, which consist of one of the three possibilities of abelian complex numbers with a single imaginary unit. This numerical set is endowed with nonzero elements whose product is zero, such numbers are called generalized zeros or divisors of zero. The presence of generalized zeros allows the introduction of a modi ed variational principle from which an additional term, absent in General Relativity, emerges in the eld equations. This additional term is interpreted as a dark energy, whose physical origin is related to vacuum uctuations. The inclusion of this e ect is legitimate because a priori vacuum uctuations must gravitate as any other form of energy. From the eld equations we can summarize the main conceptual idea of the theory, in pseudo-complex General Relativity mass not only curves spacetime but also is able to change the structure of the spacetime around the mass. The di erences with respect to General Relativity are manifested in extreme physical situations in the regime of intense gravitational elds. As an application we analyze from the theoretical point of view an exotic compact object composed of fermionic dark matter.

Submitted by VIVIAN VENTURA FERREIRA LUIZ (vivisventura@gmail.com) on 2018-06-14T17:51:35Z No. of bitstreams: 1 dissertacao.pdf: 1531949 bytes, checksum: 577b1199d5fc233ab7cc7e672975849a (MD5) / Approved for entry into archive by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br) on 2018-06-15T17:55:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 luiz_vvf_me_ift.pdf: 1531949 bytes, checksum: 577b1199d5fc233ab7cc7e672975849a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-15T17:55:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 luiz_vvf_me_ift.pdf: 1531949 bytes, checksum: 577b1199d5fc233ab7cc7e672975849a (MD5) Previous issue date: 2017-09-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O problema da matéria escura é uma das questões abertas da cosmologia e da física de partículas. Inúmeras observações, em diferentes escalas astronômicas, sustentam que a quantidade de matéria luminosa presente não é capaz de explicar o comportamento observado. A solução para esta inconsistência foi obtida através da introdução de uma nova forma de matéria que, não interagindo com a luz, foi intitulada por matéria escura. O Modelo Padrão da Cosmologia indica que esta componente contribui com mais de 80% da densidade de matéria no Universo, deve ser estável, não relativística e sua densidade relíquia deve combinar com as medidas obtidas pelas flutuações da CMB. Apesar disso, a natureza da matéria escura ainda é um mistério. Entre as partículas candidatas à matéria escura os mais populares são os chamados WIMPs. Esta espécie é considerada uma relíquia térmica e podem fornecer uma abundância compatível com a observada. Nesta direção, o presente trabalho então, trata uma extensão do Modelo Padrão da Física de Partículas, uma vez que este modelo não fornece nenhuma partícula apropriada à matéria escura, chamada Modelo do Dubleto Inerte, que é obtido adicionando um novo dubleto escalar por meio de uma simetria Z_2 que desenvolve uma configuração de vácuo trivial. Dentro do novo espectro de partículas estudamos aquela que parece propor um candidato viável à matéria escura. / The problem of dark matter is one of the open questions of cosmology and particle physics. Several observations, at different astronomical scales, maintain that the amount of light matter present is not able to explain the observed behavior. The solution to this inconsistency was obtained by introducing a new form of matter which, not interacting with light, was titled as dark matter. The Standard Model of Cosmology indicates that this component contributes with more than 80% of the matter density in the Universe, must be stable, non relativistic and its relic density should match with the measurements obtained by the fluctuations of the CMB. Despite this, the nature of dark matter is still a mystery. Among the candidate particles for dark matter the most popular are the so-called WIMPs. This species is considered a thermal relic and can provide an abundance compatible with that observed. In this direction, the present work then deals with an extension of the Standard Model of Particle Physics, since this model does not provide any particle appropriate to dark matter, called Inert Doublet Model, which is obtained by adding a new scalar doublet through a Z_2 symmetry that develops a trivial vacuum configuration. Inside this new spectrum of particles we study the one that seems to propose a viable candidate to the dark matter.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HeydsonHBS_TESE.pdf: 1323101 bytes, checksum: 18654a0afdabd08781b43fe6ac36fd9b (MD5) Previous issue date: 2014-04-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Significant observational effort has been directed to unveiling the nature of the so-called dark energy. However, given the large number of theoretical possibilities, it is possible that this a task cannot be based only on observational data. In this thesis we investigate the dark energy via a thermodynamics approach, i.e., we discuss some thermodynamic properties of this energy component assuming a general time-dependent equation-of-state (EoS) parameter w(a) = w0 + waf(a), where w0 and wa are constants and f(a) may assume different forms. We show that very restrictive bounds can be placed on the w0 - wa space when current observational data are combined with the thermodynamic constraints derived. Moreover, we include a non-zero chemical potential &#956; and a varying EoS parameter of the type &#969;(a) = &#969;0 + F(a), therefore more general, in this thermodynamical description. We derive generalized expressions for the entropy density and chemical potential, noting that the dark energy temperature T and &#956; evolve in the same way in the course of the cosmic expansion. The positiveness of entropy S is used to impose thermodynamic bounds on the EoS parameter &#969;(a). In particular, we find that a phantom-like behavior &#969;(a) < &#8722;1 is allowed only when the chemical potential is a negative quantity (&#956; < 0). Thermodynamically speaking, a complete treatment has been proposed, when we address the interaction between matter and energy dark / Esfor?os observacionais significativos t?m sido direcionados para investigar a natureza da chamada energia escura. No entanto, dado o grande n?mero de possibilidades te?ricas, esta tarefa n?o ? poss?vel baseando-se apenas em dados observacionais. Nesta tese, investigaremos a energia escura atrav?s da abordagem termodin?mica, isto ?, discutiremos algumas propriedades termodin?micas desta componente energ?tica assumindo um par?metro da equa??o de estado (EoS) geral dependente do tempo &#969;(a) = &#969;0 + &#969;af(a), onde &#969;0 e &#969;a s?o constantes e f(a) pode assumir diferentes formas. Mostraremos que limites muito restritivos podem ser colocados no espa?o &#969;0 &#8722; &#969;a quando dados observacionais recentes s?o combinados com os v?nculos termodin?micos derivados. Al?m disso, inclu?mos um potencial qu?mico &#956; n?o nulo e um par?metro da EoS vari?vel do tipo &#969;(a) = &#969;0 + F(a), portanto mais geral, nesta descri??o termodin?mica. Derivamos express?es gerais para a densidade de entropia e o potencial qu?mico, notando que a temperatura da energia escura T e &#956; evoluem da mesma maneira no decorrer da expans?o c?smica. A positividade da entropia S ? usada para impor limites termodin?micos ao par?metro da EoS &#969;(a). Em particular, encontramos que um comportamento tipo phantom &#969;(a) < &#8722;1 ? permitido somente quando o potencial qu?mico ? uma quantidade negativa (&#956; < 0). Termodinamicamente falando, um tratamento completo foi proposto, quando abordamos a intera??o entre mat?ria e energia escuras

O impacto que estruturas algébricas podem exercer em teorias físicas e bem ilustrado pela Mecânica Quântica, onde os números complexos são inquestionavelmente a escolha mais adequada para desenvolver a teoria. A Relatividade Geral pseudo-complexa avalia a possibilidade da interação gravitacional assumir sua descrição mais natural quando construída tendo como base os números pseudo-complexos, que consistem em uma das três possibilidades de números complexos abelianos com uma unica unidade imaginária. Esse conjunto numérico e dotado de elementos não nulos cujo produto e zero, tais números recebem o nome de zeros generalizados ou divisores de zero. A presença de zeros generalizados permite a introdução de um princípio variacional modificado do qual um termo adicional, ausente na Relatividade Geral, emerge nas equações de campo. Esse termo adicional e interpretado como uma energia escura, cuja origem física está relacionada com flutuações no vácuo. A inclusão desse efeito e legítima pois flutuações no vácuo a priori devem gravitar como qualquer outra forma de energia. Das equações de campo podemos resumir a principal ideia conceitual da teoria, na Relatividade Geral pseudo-complexa massa não apenas curva o espaçotempo como também e capaz de alterar a estrutura do espaço-tempo ao redor da massa. As diferenças com relação a Relatividade Geral se manifestam em situações físicas extremas, no regime de campos gravitacionais intensos. Como aplicação analisamos sob o ponto de vista teórico um objeto compacto exótico composto por matéria escura fermiônica. / The impact that algebraic structures can exert on physical theories is well illustrated by Quantum Mechanics, where complex numbers are unquestionably the most appropriate choice to develop the theory. Pseudo-complex General Relativity evaluates the possibility that the gravitational interaction acquires its most natural description when constructed upon pseudo-complex numbers, which consist of one of the three possibilities of abelian complex numbers with a single imaginary unit. This numerical set is endowed with nonzero elements whose product is zero, such numbers are called generalized zeros or divisors of zero. The presence of generalized zeros allows the introduction of a modi ed variational principle from which an additional term, absent in General Relativity, emerges in the eld equations. This additional term is interpreted as a dark energy, whose physical origin is related to vacuum uctuations. The inclusion of this e ect is legitimate because a priori vacuum uctuations must gravitate as any other form of energy. From the eld equations we can summarize the main conceptual idea of the theory, in pseudo-complex General Relativity mass not only curves spacetime but also is able to change the structure of the spacetime around the mass. The di erences with respect to General Relativity are manifested in extreme physical situations in the regime of intense gravitational elds. As an application we analyze from the theoretical point of view an exotic compact object composed of fermionic dark matter.

La découverte d'une particule cohérent avec la production d'un boson de Higgs du Modèle Standard (MS) en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS a ouverte de nouvelles possibilités de recherche de physique au-delà du MS (BSM). Les recherches de matière noire en ATLAS se concentrent sur des modèles générales, appelées mono-X, qui prédisent la production d'un seul objet X (jet, photon ou des bosons W ou Z) en association à des particules de matière noire (DM). La production de ces états finaux dépend du couplage entre les objets radiés et les particules en collision. Ce fait encourage la recherche des signaux mono-Higgs car le boson de Higgs ne se couple pas directement avec des gluons et ses couplages avec les quarks légères sont très faibles. Par conséquent, le Modèle Standard ne prédit pas une grande contribution à ces états finaux, donc toute déviation observée des prédictions du MS permettrait d'étudier directement le couplage du boson de Higgs à des nouveaux secteurs BSM. Lors de cette thèse, une recherche a été menée sur la production des particules de matière noire en association à un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. En ayant pour but d'augmenter la sensibilité de l'expérience à une possible découverte, des études sur l'effet de diaphonie ont été menées afin d'améliorer l'identification de photons dans ATLAS. Par ailleurs, les particules de matière noire n'interagissent pas avec le détecteur, ce qui impose des signatures avec une grande énergie transverse manquante. Des études sur la performance de la reconstruction de cette énergie transverse manquante ont été mises en place pour des topologies contenant un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. / The discovery of a particle consistent with a Standard Model (SM) Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS collaborations has opened up new possibilities in searches for physics beyond the SM (BSM). Searches for dark matter in ATLAS focus on a special case of general models called, mono-X, that predict a single object X (jet, photon, W or Z bosons) produced in association to dark matter (DM) particles. The production of these final states depend on the coupling between the radiated object and the colliding particles. This fact motivates the search of mono-Higgs signals since Higgs does not couple to gluons and its couplings to light quarks are very weak. Then, the Standard Model does not predict a large contribution to these mono-Higgs final states, thus any deviation from SM predictions is a direct probe of a coupling between the Higgs and a new BSM sector. A search of DM particles produced in association to a Higgs boson decaying into two photons has been carried out in this thesis. Aiming to increase the significance of discovery in this channel, studies on the cross-talk effect has been performed to improve photon identification in ATLAS. Besides, DM particles are not expected to interact within the detector fiducial volume, thus predicted signatures include a large missing transverse momentum. Performance studies of the reconstruction of this missing momentum has been put in place in topologies containing a Higgs boson decaying into two photons.

O lado escuro do universo é misterioso e sua natureza é ainda desconhecida. De fato, isto talvez constitua o maior desafio da cosmologia moderna. As duas com- ponentes do setor escuro (mat´ eria escura e energia escura) correspondem hoje a cerca de noventa e cinco por cento do universo. O candidato mais simples para a energia energia é uma constante cosmológica. Contudo, esta tentativa apresenta uma enorme discrepância de 120 ordens de magnitude entre a predição teórica e os dados observados. Tal disparidade motiva os físicos a investigar modelos mais sofisticados. Isto pode ser feito tanto buscando um entendimento mais profundo de onde a constante cosmológica vem, se deseja-se derivá-la de primeiros princípios, quanto considerando outras possibilidades para a expansão acelerada, tais como modificações da relatividade geral, campos de matéria adi- cionais e assim por diante. Ainda considerando uma energia escura dinâmica, pode existir a possibilidade de interação entre energia e matéria escuras, uma vez que suas densidades são comparáveis e, dependendo do acoplamento usado, a interação pode também aliviar a questão de porquê as densidades de matéria e energia escura são da mesma ordem hoje. Modelos fenomenológicos tem sido amplamente estudados na literatura. Por outro lado, modelos de teoria de cam- pos que visam uma descrição consistente da interação energia escura/matéria escura ainda são poucos. Nesta tese, nós exploramos como candidato à energia escura um campo escalar ou vetorial em várias abordagens diferentes, levando em conta uma possível interação entre as duas componentes do setor escuro. A tese é dividida em três partes, que podem ser lidas independentemente. Na primeira parte, nós analisamos o comportamento asintótico de alguns modelos cosmológicos usando campos escalares ou vetorial como candidatos para a energia escura, à luz da teoria de sistemas dinâmicos. Na segunda parte, nós usamos um campo escalar em supergravidade para construir um modelo de energia escura dinâmico e também para incorporar um modelo de energia escura holográfica em supergravidade mínima. Finalmente, na terceira parte, nós propomos um modelo de energia escura metaestável, no qual a energia escura é um campo escalar com um potencial dado pela soma de auto-interações pares até ordem seis. Nós inserimos a energia escura metaestável em um modelo SU(2)R escuro, onde o dubleto de energia escura e o dubleto de matéria escura interagem nat- uramente. Tal interação abre uma nova janela para investigar o setor escuro do ponto-de-vista de física de partículas. Esta tese é baseada nos seguintes artigos, disponíveis também no arXiv: 1611.00428, 1605.03550, 1509.04980, 1508.07248, 1507.00902 e 1505.03243. O autor também colaborou nos trabalhos: 1607.03506 e 1605.05264. / The dark side of the universe is mysterious and its nature is still unknown. In fact, this poses perhaps as the biggest challenge in the modern cosmology. The two components of the dark sector (dark matter and dark energy) correspond today to around ninety five percent of the universe. The simplest dark energy candidate is a cosmological constant. However, this attempt presents a huge discrepancy of 120 orders of magnitude between the theoretical prediction and the observed data. Such a huge disparity motivates physicists to look into a more sophisticated models. This can be done either looking for a deeper understanding of where the cosmological constant comes from, if one wants to derive it from first principles, or considering other possibilities for accelerated expansion, such as modifications of general relativity, additional matter fields and so on. Still regarding a dynamical dark energy, there may exist a possibility of interaction between dark energy and dark matter, since their densities are comparable and, depending on the coupling used, the interaction can also alleviate the issue of why dark energy and matter densities are of the same order today. Phenomenological models have been widely explored in the literature. On the other hand, field theory models that aim a consistent description of the dark energy/dark matter interaction are still few. In this thesis, we explore either a scalar or a vector field as a dark energy candidate in several different approaches, taking into account a possible interaction between the two components of the dark sector. The thesis is divided in three parts, which can be read independently of each other. In the first part, we analyze the asymptotic behavior of some cosmological models using either scalar or vector fields as dark energy candidates, in the light of the dynamical system theory. In the second part, we use a scalar field in the supergravity framework to build a model of dynamical dark energy and also to embed a holographic dark energy model into minimal supergravity. Finally, in the third part, we propose a model of metastable dark energy, in which the dark energy is a scalar field with a potential given by the sum of even self-interactions up to order six. We insert the metastable dark energy into a dark SU(2)R model, where the dark energy doublet and the dark matter doublet naturally interact with each other. Such an interaction opens a new window to investigate the dark sector from the point-of-view of particle physics. This thesis is based on the following papers, available also in the arXiv: 1611.00428, 1605.03550, 1509.04980, 1508.07248, 1507.00902 and 1505.03243. The author also collaborated in the works 1607.03506 and 1605.05264.

The XX century witnessed the quantum and relativistic revolutions in physics. The development of these two theories, namely, Quantum Mechanics and Relativity, was the inception of many crucial discoveries and technological advances. Among them, one stands out due to its uniqueness, the neutrino discovery. However, several neutrino properties are still obscure. Neutrinos are the only fundamental particles whose nature is currently unknown. Such fermions can either be different from their antiparticles, i.e., Dirac fermions, or be their own antiparticles, that is, Majorana fermions. On the other hand, the smallness of neutrino masses is a problem seemingly related to the neutrino nature; thus, as essential task consists in addressing the phenomenologically viable models in both cases. Furthermore, it is important to search for other physical process in which the neutrino nature may manifest through different experimental signatures. A rather difficult but promising method corresponds to the detection of the cosmic neutrino background, viz. neutrinos which are relics from the Big Bang. Previous works have shown that detection rates for Dirac and Majorana neutrinos can give different results. Nevertheless, this distinction was obtained considering the Standard Model framework only. Therefore, it is important to understand the consequences of having Non-Standard Interactions contributing to the detection of neutrinos from the cosmic background. Another remarkable relic predicted by Cosmology is the unidentified Dark Matter, composing ~25% of the Universe. All searches regarding the Weakly Interacting Massive Particle, one of the principal candidates for Dark Matter, have given negative results; this has compelled experiments to increase their sensitivity. Notwithstanding, neutrinos may stand in the way of such experimental searches given that they may constitute an irreducible background. In this thesis, we will address these three different phenomena, neutrino mass models, detection of the cosmic neutrino background and the neutrino background in Dark Matter searches, by considering the different characteristics in each case. In the study of neutrino mass models, we will consider models for both Majorana and Dirac neutrinos; specifically, we will probe the neutrinophilic two-Higgs-doublet model. Regarding the detection of relic neutrinos, we will analyse the consequences of the existence of the beyond Standard Model physics in the capture rate by tritium. Finally, we will scrutinize the impact of neutrinos in Direct Detection WIMP searches, by considering Standard Model plus additional interactions in the form of simplified models. / Ao longo do século XX testemunhamos as revoluções quântica e relativista que aconteceram na Física. O desenvolvimento da Mecânica quântica e da teoria da relatividade foi o prelúdio de inúmeras descobertas e avanços tecnológicos fundamentais; em particular, a descoberta dos neutrinos. No entanto, a sua total compreensão ainda é um mistério para a física de partículas. Entendidos como partículas fermiônicas fundamentais, os neutrinos possuem sua natureza desconhecida. Podendo ser diferentes de suas antipartículas, denominadas férmions de Dirac, ou também podendo ser as suas próprias antipartícula, sendo conhecidas como férmions de Majorana. Por outro lado, o valor de sua massa continua sendo um problema em aberto, supostamente relacionado à sua natureza. Portanto, é importante estudarmos modelos fenomenológicos viáveis para as duas naturezas possíves dos neutrinos. Além disso, é necessário procurar outros processos físicos cujos resultados experimentais sejam distintos de acordo com a natureza do neutrino. Um método bastante difícil, mas promissor, corresponde à detecção do fundo de neutrinos cósmicos, isto é, os neutrinos relíquia do Big Bang. Análises prévias mostraram que as taxas de detecção para neutrinos de Dirac e de Majorana resultam em valores distintos. Porém, este resultado foi obtido supondo como base o Modelo Padrão; assim, é crucial entender as possíveis consequências da existência de interações desconhecidas na detecção dos neutrinos da radiação cósmica de fundo. Outra relíquia notável prevista pela Cosmologia é a desconhecida Matéria Escura, que compõe ~25% do Universo. Todas as buscas por WIMPs (do inglês Weakly Interactive Massive Particles), um dos principais candidatos a Matéria Escura, tem dado resultados negativos. Isto tem forçado a criação de experimentos cada vez mais sensíveis. Contudo, os neutrinos poderão ser um obstáculo nessas buscas experimentais, pois estes convertir-se-ão em um fundo irredutível. Na presente tese, abordaremos estes três fenômenos diferentes, modelos de massa para os neutrinos, a detecção do fundo de neutrinos cósmicos e o fundo de neutrinos em experimentos de detecção direta de Matéria Escura, considerando as distintas características em cada caso. No estudo dos modelos de massa para os neutrinos consideraremos modelos para neutrinos de Majorana e Dirac; exploraremos modelos neutrinofílicos com dois dubletos de Higgs. Enquanto à detecção dos neutrinos relíquia, analisaremos as consequências da presença de física além do Modelo Padrão na taxa de captura pelo trítio. Finalmente, examinaremos o impacto dos neutrinos em experimentos de detecção direta de WIMPs, supondo as interações do Modelo Padrão junto com interações adicionais na forma de modelos simplificados.

Neste trabalho estudam-se três aplicações de mecanismos de produção de partículas no universo pós inflacionário. Apesar da motivação inicial para esses mecanismos ter sido o reaquecimento do universo, eles foram utilizados, posteriormente, para produzir partículas supermassivas. A produção de partículas, sejam elas supermassivas ou não, depende essencialmente do modelo inflacionário utilizado. Aqui, trabalha-se com modelos inflacionários caóticos gerados por um campo escalar, o inflaton. A primeira aplicação estuda a produção de partículas supermassivas pelo mecanismo de pré-aquecimento instantâneo que é não perturbativo. Estabelece-se os limites dos parãmetros desse mecanismo impondo que essas partículas constituam parte da matéria escura e que seu decaimento, hoje, produzam os raios cósmicos de altíssimas energias. A segunda aplicação é um estudo numérico de como teria sido o reaquecimento do universo, num modelo inflacionário quintessencial, com partículas tendo sido produzidas através do mecanismo de pré-aquecimento instantâneo. Esses modelos inflacionários são utilizados para explicar a origem da energia escura que parece dominar o universo hoje. Obtém-se a faixa de temperaturas de reaquecimento permitidas. A terceira aplicação também estuda a produção de partículas supermassivas para explicar os raios cósmicos de altíssimas energias, mas por um mecanismo perturbativo. As partículas seriam o produto do decaimento direto do inflaton após a inflação. Obtém se limites para razão de ramificação deste decaimento, impondo restrições para a vida média das partículas supermassivas e para a sua abundância hoje. / We studied three applications of the mechanisms of particle production in the early universe. Although such mechanisms were first proposed to reheat the universe they were used lately to produce supermassive particles. The production of supermassive or massless particles depends mainly on the inflationary model that we work with. Here, we chose the chaotic inflationary models generated by one scalar field, the inflaton. In the first application we studied the production of supermassive particles by the non-perturbative instant preheating mechanism. We used cosmic ray flux and cold dark matter observational data to constrain the parameters of the model, since we are supposing that such particles may account for a fraction of the cold dark matter as well as decay into high energy cosmic rays. In the second application we perform a numerical study of the instant preheating mechanism of particle production in a model of quintessential inflation. Such inflationary models are used to explain the dark energy that seems to dominate the universe nowadays. We obtained the reheating temperatures allowed by this mechanism. The third application studied the supermassive particle production by a perturbative mechanism to explain high energy cosmic rays. The inflaton would have decayed into such particles after inflation. By constraining their lifetime and present abundance we obtained the branching ratio of such decay.

In this licentiate thesis, I report a search for GeV γ rays towards the location of Galaxy clusters. I mainly discuss the results of a search for cosmic-ray (CR) induced γ-ray emission but also briefly elaborate on a related study, searching for Dark Matter (DM)-induced γ-ray emission from Galaxy clusters. In addition, I provide a detailed discussion on the analysis tools that were used and discuss some additional tests that are not included in the papers this licentiate thesis is based on. In a comprehensive search almost covering the entire sky, we find no statistically significant evidence for either DM or CR induced γ rays from galaxy clusters. Thus we report upper limits on CR quantities that exclude emission scenarios in which the maximum hadronic injection efficiency is larger than 21% and associated limits on the maximum CR-to-thermal pressure ratio, &lt;XCR&gt;. In addition, we update previous flux upper limits given a new set of modeling and taking the source extension into account. For a DM masses below 100 GeV, we exclude annihilation cross sections above ∼ 10−24 cm3 s−1 into bb. For decaying DM, we exclude decay times lower than 1027 s over the mass range of 20 GeV– 2 TeV.

Le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) permet de détecter des particules du rayonnement cosmique (astroparticules) par l'émission de lumière Cherenkov émise par les particules secondaires résultant de l'interaction d'une particule primaire dans l'atmosphère terrestre. Outre la détection et l'étude de sources astrophysiques qui émettent des rayons gamma, H.E.S.S. permet d'étudier les différentes émissions diffuses du rayonnement cosmique. L'intérêt de ces émissions diffuses dans la compréhension de l'origine et la propagation des rayons cosmiques ainsi que la possibilité d'y détecter un signal de matière noire est rappelé dans ce manuscrit. Après une présentation de l'expérience H.E.S.S., la possible amélioration de la discrimination entre les rayons gamma et les électrons avec H.E.S.S. est discutée. En particulier, la possibilité de détecter le rayonnement Cherenkov direct émis par les électrons primaires du rayonnement cosmique au contraire des rayons gamma est abordée. Ensuite, une méthode de discrimination basée sur une comparaison à l'aide d'un maximum de vraisemblance entre des images enregistrées par les caméras des télescopes et des images issues d'un modèle semi-analytique est utilisée afin d'obtenir une reconstruction spectrale des électrons et des positrons du rayonnement cosmique avec les données de H.E.S.S. Cette mesure permet pour la première fois d'étendre la détermination du spectre en énergie des électrons et des positrons du rayonnement cosmique jusqu'à 20 TeV. / The telescope array H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) allows to detect cosmic ray particles with the Cherenkov light that is emitted by the secondary particles resulting of the interaction of the primary particles in the Earth’s atmosphere. Besides the detection and the study of astrophysical sources that emit rays, H.E.S.S. allows to study the different diffuse emissions that compose the cosmic rays. The interest of these diffuse emissions for the comprehension of the origin and the propagation of cosmic rays as well as the chance that they conduct to the detection of a dark matter signal is recalled in this manuscript. Following a presentation of the H.E.S.S. experiment, the possible improvment of the discrimination between rays and electrons with H.E.S.S. is discussed. Especially, the possibility of detecting direct Cherenkov light emitted by primary cosmic ray electrons but not by primary rays is addressed. Then, a discriminating method based on a log-likelihood comparison between recorded images and template images from a semi-analytical model is used to obtain a spectral reconstruction of the cosmic ray electrons and positrons with H.E.S.S. data. This measurement allows for the first time to establish the shape of the energy spectrum of cosmic ray electrons and positrons up to20 TeV.