Les travaux présentés dans cette thèse contraignent la masse des neutrinos dans le contexte de 4 modèles de matière noire en utilisant le spectre de puissance du flux transmit dans les forêts Lyman-alpha des quasars distants. Les neutrinos laissent une emprunte sur les grandes structures dans l'Univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière sur des distances inversement proportionnelles à leur masse. De l'ordre de quelques Mpc, ces échelles peuvent être sondées par les forêts Ly-$alpha$ qui tracent la densité d'hydrogène neutre atomique suivant la ligne de visée du quasar en arrière-plan. J'utilise le spectre de puissance Ly-$alpha$ construit grâce à deux relevés de grandes structures:les $13,821$ spectres optiques de quasars basse-résolution de la 9ème publication des données du SDSS/BOSS à 12 redshifts de $langle z rangle = 2.2$ à $4.4$; ainsi que la centaine de spectres de quasar haute-résolution du relevé XQ-100 du VLT à $langle z rangle = 3.20, 3.56$ et $3.93$. Ces deux relevés nous permettent de sonder les échelles de $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ à $k leqslant 0.02$ et $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectivement.Modéliser le spectre de puissance Ly-$alpha$ nécessite résoudre le régime non-linéaire de formation des structure et modéliser le gaz inter-galactique dans les simulations cosmologiques hydrodynamiques destinées à cet effet. Je contrôle pour plusieurs incertitudes systématiques liées à ces simulations. Dans un premier temps, je quantifie la variance d'échantillonnage à l'aide de simulations tournées avec différentes conditions initiales. Dans un second temps, je teste la validité d'une méthode permettant de construire le spectre de puissance à partir de simulations plus petites et moins résolues. Pour ce, j'ai tourné une simulation évoluant $2 times 2048^3$ particules de matière noire et de baryons dans un covolume de $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$. Ce travail a permit à notre groupe d'améliorer les contraintes sur la masse des neutrinos de $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ établie précédemment à $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai ensuite tourné mes efforts vers l'implémentation de neutrinos stériles en tant qu'un candidat matière noire non-froide dans les simulations. En particulier, j'ai produit les contraintes les plus fortes (au moment de la publication) sur la masse des neutrinos stériles en tant que matière noire tiède: $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ à $95%$ de vraisemblance. J'ai étendu l'étude dans le contexte d'une matière noire mixte et contraint l'abondance relative de la composante tiède par rapport à la froide. Enfin, j'ai complété ce travail en permettant une résonance dans la production des neutrinos stériles, réduisant ainsi leur échelle caractéristique de diffusion et refroidissant la matière tiède qu'ils incorporent. A ce but, j'ai initié une collaboration avec une équipe de physiciens théoriques impliqués dans les recherches astrophysiques de ces neutrinos stériles dits produits par résonance dans des objets riches en matière noire. Notre jeune collaboration a établi les premières contraintes sur leur masse en utilisant le spectre de puissance Ly-$alpha$. / In the work presented in this thesis, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-alpha (Ly-$alpha$) forest of distant quasars to constrain the mass of cosmological neutrinos in the context of four seperate projects. Neutrinos leave a signature imprint on large scale structures in the Universe through their free-streaming, which manifests as a deficit of matter density fluctuations on typical length scales that are inversely proportional to their rest mass. This typical free-streeming scale, of order a few Mpc, can be probed by Ly-$alpha$ forests which are imprints of the neutral atomic Hydrogen density along the background quasar's line-of-sight. I use the Ly-$alpha$ flux power spectrum from mainly two large scale structure surveys: the $13,821$ low-resolution quasar spectra from the ninth data release of SDSS (BOSS) in 12 redshift bins from $langle z rangle = 2.2$ to $4.4$; and the $100$ high-resolution quasar spectra from the XQ-100 survey (of the VLT's XShooter spectrograph) in 3 redshift bins, $langle z rangle = 3.20, 3.56$ and $3.93$. This enables us to probe scales from $k geqslant 0.001~s/mathrm{km}$ to $k leqslant 0.02$ and $k leqslant 0.07~ s/mathrm{km}$ respectively.Modeling the flux power spectrum requires solving the non-linear regime of structure formation and the intergalactic gas in the cosmological hydrodynamics simulations that are used to that effect. I controlled for several of many systematic uncertainties related to the simulations. First, I ran simulations with different initial conditions to quantify the sampling variance. I then tested the accuracy of a splicing technique that we use to construct the flux power spectrum from lower size and lower resolution simulations. This required producing a complete run of a $(100~h^{-1}mathrm{Mpc})^3$ comoving cube containing $2 times 2048^3$ dark matter particles and baryons. This enabled our working group to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from $sum m_nu < 0.15~mathrm{eV}$ to the most stringent constraint to date $sum m_nu < 0.12~mathrm{eV}$ with $95%$ confidence. I then worked on implementing right-handed neutrinos in non-cold dark matter cosmological frameworks. A substancial amount of work has gone into applying plausible initial conditions that would accurately model the free-streaming effect of these types of particles. I put the most stringest constraints (at the time of publication) on the mass of non-resonantly produced sterile neutrinos as pure warm dark matter candidates, $m_nu lesssim 25~mathrm{keV}$ at $95%$ confidence. I extended this investigation into a mixed warm plus cold dark matter cosmology. Finally, I implement right-handed neutrinos produced in presence of a lepton asymmetry which boosts their production and lowers their free-streaming scale. I started a collaboration with a team of theoretical physicists involved in searching for astrophysical evidence for the existance of such resonantly-produced right-handed neutrinos in dark matter rich systems. Our new-born collaboration has enabled the first ever constraints on their mass using the Ly-$alpha$ forest power spectrum.

Il y a près de deux décennies, l'utilisation des modèles à dimensions supplémentaires pour résoudre le problème de hiérarchie des théories de jauge a reçu beaucoup d'attention, au travers d'élégantes propositions : des dimensions supplémentaires (DS) étendues et plates - le modèle d'Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali, ou ADD - ainsi que des DS courbées - le modèle de Randall-Sundrum, ou RS. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs modèles inspirés de tels scénarios extra-dimensionnels. Pour commencer, nous introduisons des éléments-clés de la théorie des champs en cinq dimensions, et nous montrons comment de tels scénarios apportent une réponse au problème de hiérarchie. Ensuite, dans une première partie, nous adoptons une approche ``de bas en haut'' et étudions plusieurs modèles contenant des fermions vectoriels (FV), prédits génériquement dans les modèles de DS. Nous montrons qu'en ajoutant des quarks vectoriels (QV) au Modèle Standard (MS), on peut expliquer en même temps les anomalies (i) d'asymétrie avant-arrière des quarks b, mesurée au Large Electron-Positron collider (LEP) et (ii) de section efficace de production de tth mesurée au Large Hadron Collider (LHC). En utilisant des rapports de taux de désintégration du Higgs, nous estimons aussi la sensibilité du LHC amélioré, le LHC à haute luminosité, à la présence de QV. Puis nous considérons un modèle à deux doublets de Higgs (2HDM), accompagné de leptons vectoriels (LV) pour expliquer le mystérieux excès à 750 GeV observé au LHC fin 2015. Dans un modèle similaire, nous expliquons également l'abondance de matière sombre (MS) dans l'Univers, notre candidat pour la MS étant un LV neutre, stabilisé par une symétrie Z2 appropriée. Par la suite, dans une deuxième partie de la thèse, nous nous penchons sur le scénario plus concret des DS courbées dotées d'une symétrie custodiale dans l'espace cinq-dimensionnel, qui protège le modèle vis-à-vis de larges corrections électrofaibles. Dans ce cadre, nous interprétons tout d'abord la bosse à deux bosons observée à 2 TeV au LHC comme une superposition de bosons de jauge de Kaluza-Klein, produits en canal s. Dans un deuxième temps, nous étudions la phénoménologie du secteur scalaire du modèle susdit, qui mêle le Higgs et le radion. En particulier, nous estimons la sensibilité du LHC et d'un futur collisionneur électron-positron (l'International Linear Collider - ILC) à l'existence d'un radion, via la production de celui-ci en association avec un boson Z. / Almost two decades ago, the paradigm of extra-dimensional models addressing the gauge hierarchy problem attracted much attention through the elegant proposals of large, flat extra dimensions (EDs) - the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali or ADD model - and warped EDs - the Randall-Sundrum or RS model. In this thesis, we discuss several models inspired from such extra-dimensional scenarios. We start by introducing some key elements of field theory in five space-time dimensions and showing how such scenarios provide a solution to the hierarchy problem. Afterwards, in a first part of this work, we adopt a bottom-up approach and study several models containing Vector-Like Fermions (VLFs), which are typically predicted in ED frameworks. We show how adding Vector-Like Quarks (VLQs) to the Standard Model (SM) allows one to simultaneously explain the anomalies in the (i) b-quark forward-backward asymmetry measured at the Large Electron-Positron collider (LEP) and (ii) the tth production cross section measured at the Large Hadron Collider (LHC). Using the so-called Higgs decay ratios, we also estimate the sensitivity of the upgraded LHC, the High-Luminosity LHC, to the presence of VLQs. Then, we consider a Two-Higgs Doublet Model (2HDM) extended with Vector-Like Leptons (VLLs) in order to fit the mysterious 750 GeV excess observed at LHC in late 2015. Within a similar model, we also explain the Dark Matter (DM) abundance in the Universe, our DM candidate being a neutral VLL, which is rendered stable by a suitable Z2 symmetry. Later on, in a second part of the thesis, we focus on the more concrete warped ED scenario endowed with a bulk custodial symmetry, which protects the model from large electroweak (EW) corrections. In this framework, we first interpret the 2 TeV diboson bump observed at LHC in 2015 as a superposition of Kaluza-Klein (KK) gauge bosons produced in the s-channel. Afterwards, we study the phenomenology of the mixed Higgs-radion scalar sector of the aforementioned model. In particular, we estimate the sensitivity of the LHC and of a future electron-positron collider (the International Linear Collider - ILC) to the existence of a radion via its production in association with a Z boson.

L'effet de lentille gravitationnelle, qui se traduit par une deformation des images nous parvenant de galaxies lointaines, constitue l'une des techniques les plus prometteuse pour répondre aux nombreuses questions portant sur la nature de l'énergie sombre et de la matière noire. Cet effet de lentille étant sensible à la masse totale, il permet de sonder directement la distribution de matière noire, qui resterait autrement invisible. En mesurant la forme d'un grand nombre de galaxies lointaines, il est possible d'estimer statistiquement les déformations causées par l'effet de lentille gravitationnelles puis d'en inférer la distribution de masse à l'origine de ces deformations. La reconstruction de ces cartes de masses constitue un problème inverse qui se trouve être mal posé dans un certain nombre de situations d'interêt, en particulier lors de la reconstruction de la carte de masse aux petites échelles ou en trois dimensions. Dans ces situations, il devient impossible de reconstruire une carte sans l'ajout d'information a priori.Une classe particulière de méthodes, basées sur un a priori de parcimonie, s'est révélé remarquablement efficace pour résoudre des problèmes inverses similaires pour un large champ d'applications tels que la géophysique et l'imagerie médicale. Le but principal de cette these est donc d'adapter ces techniques de régularisation parcimonieuses au problème de la cartographie de la matière noire afin de developper une nouvelle generation de méthodes. Nous développons en particulier de nouveaux algorithmes permettant la reconstruction de carte masses bi-dimensionnelles de haute resolution ainsi que de cartes de masses tri-dimensionnelles. Nous appliquons de plus les mêmes méthodes de régularisation parcimonieuse au problème de la reconstruction du spectre de puissance des fluctuations primordiales de densités à partir de mesures du fond diffus cosmologique, ce qui constitue un problème inverse particulièrement difficile a résoudre. Nous développons un nouvel algorithme pour résoudre ce problème, que nous appliquons aux données du satellite Planck.Enfin, nous investiguons de nouvelles méthodes pour l'analyse de relevés cosmologiques exprimés en coordonnées sphériques. Nous développons une nouvelle transformée en ondelettes pour champs scalaires exprimés sur la boulle 3D et nous comparons différentes méthodes pour l'analyse cosmologique de relevés de galaxies spectroscopiques. / Gravitational lensing, that is the distortion of the images of distant galaxies by intervening massive objects, has been identified as one of the most promising probes to help answer questions relative to the nature of dark matter and dark energy. As the lensing effect is caused by the total matter content, it can directly probe the distribution of the otherwise invisible dark matter. By measuring the shapes of distant galaxies and statistically estimating the deformations caused by gravitational lensing, it is possible to reconstruct the distribution of the intervening mass. This mass-mapping process can be seen as an instance of a linear inverse problem, which can be ill-posed in many situations of interest, especially when mapping the dark matter on small angular scales or in three dimensions. As a result, recovering a meaningful mass-map in these situations is not possible without prior information. In recent years, a class of methods based on a so-called sparse prior has proven remarkably successful at solving similar linear inverse problems in a wide range of fields such as medical imaging or geophysics. The primary goal of this thesis is to apply these sparse regularisation techniques to the gravitational lensing problem in order to build next-generation dark matter mass-mapping tools. We propose in particular new algorithms for the reconstruction of high-resolution 2D mass-maps and 3D mass-maps and demonstrate in both cases the effectiveness of the sparse prior. We also apply the same sparse methodologies to the reconstruction the primordial density fluctuation power spectrum from measurements of the Cosmic Microwave Background which constitutes another notoriously difficult inverse problem. We apply the resulting algorithm to reconstruct the primordial power spectrum using data from the Planck satellite. Finally, we investigate new methodologies for the analysis of cosmological surveys in spherical coordinates. We develop a new wavelet transform for the analysis of scalar fields on the 3D ball. We also conduct a comparison of methods for the 3D analysis of spectroscopic galaxy survey.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC. / A large number of cosmological and astrophysical measurements supports the fact that our galaxy should be immersed in a halo of non-baryonic dark matter. Directional detection aims at measuring the direction of recoiling nucleus following an elastic scattering with a Dark Matter particle. This should allow us to show the expected strong angular dependence of the recoil distribution due to the rotation of the Solar System around the galactic center. This thesis presents a comprehensive study of directional detection following three different aspects: phenomenology, experimental and data analysis. The goal of the phenomenological studies is to explore the interest of directional detection in terms of galactic dark matter search. With the use of dedicated statistical tools we show that a detector, as the one proposed by the MIMAC collaboration, should be able to discover dark matter with a high significance down to cross sections 2 to 3 orders of magnitude below current limits. Setting up a new strategy of data analysis is a second goal of this thesis as an efficient 3D track reconstruction is compulsory to achieve an accurate directional detection of dark matter. We present a new method based on a likelihood approach aiming at the optimisation of the estimation of the parameters of each measured track: position in the detector volume and direction. In the context of reducing the electronic background, we present a method based on the analysis of the track topology using a boosted decision tree algorithm which enhances the rejection power by a factor 20 with respect to a sequential analysis. In the context of experimental measurement, we present a new method dedicated to the measurement of the electron drift velocity with uncertainties of the order of the percent and constraining the longitudinal diffusion coefficients. Eventually, we discuss the results of a data analysis obtained during an acquisition using a neutron field which validate the detection strategy of the MIMAC experiment.

Le modèle de concordance de la cosmologie, appelé ΛCDM, est un succès de la physique moderne, car il est capable de reproduire les principales observations cosmologiques avec une grande précision et très peu de paramètres libres. Cependant, il prédit l'existence de matière noire froide et d'énergie sombre sous la forme d'une constante cosmologique, qui n'ont pas encore été détectées directement. Par conséquent, il est important de considérer des modèles allant au-delà de ΛCDM et de les confronter aux observations, afin d'améliorer nos connaissances sur le secteur sombre de l'Univers. Le futur satellite Euclid, de l'Agence Spatiale Européenne, explorera un énorme volume de la structure à grande échelle de l'Univers en utilisant principalement le regroupement des galaxies et la distorsion de leurs images due aux lentilles gravitationnelles. Dans ce travail, nous caractérisons de façon quantitative les performances d'Euclid vis-à-vis des contraintes cosmologiques, à la fois pour le modèle de concordance, mais également pour des extensions phénoménologiques modifiant les deux composantes sombres de l'Univers. En particulier, nous accordons une attention particulière aux corrélations croisées entre les différentes sondes d'Euclid lors de leur combinaison et estimons de façon précise leur impact sur les résultats finaux. D'une part, nous montrons qu'Euclid fournira d'excellentes contraintes sur les modèles cosmologiques qui définitivement illuminera le secteur sombre. D'autre part, nous montrons que les corrélations croisées entre les sondes d'Euclid ne peuvent pas être négligées dans les analyses futures et, plus important encore, que l'ajout de ces corrélations améliore grandement les contraintes sur les paramètres cosmologiques. / The concordance model of cosmology, called ΛCDM, is a success, since it is able to reproduce the main cosmological observations with great accuracy and only few parameters. However, it predicts the existence of cold dark matter and dark energy in the form of a cosmological constant, which have not been directly detected yet. Therefore, it is important to consider models going beyond ΛCDM, and confront them against observations, in order to improve our knowledge on the dark sector of the Universe. The future Euclid satellite from the European Space Agency will probe a huge volume of the large-scale structure of the Universe using mainly the clustering of galaxies and the distortion of their images due to gravitational lensing. In this work, we quantitatively estimate the constraining power of the future Euclid data for the concordance model, as well as for some phenomenological extensions of it, modifying both dark components of the Universe. In particular, we pay special attention to the cross-correlations between the different Euclid probes when combining them, and assess their impact on the final results. On one hand, we show that Euclid will provide exquisite constraints on cosmological models that will definitely shed light on the dark sector. On the other hand, we show that cross-correlations between Euclid probes cannot be neglected in future analyses, and, more importantly, that the addition of these correlations largely improves the constraints on the cosmological parameters.

This project has investigated the muon background of the SHiP experiment to determine whether it can boost the experiment sensitivity to visible Dark Photon decay. Using Fermi-Weizsäcker-Williams approximation to muon scattering we found the probability of muons generating massive photons, using Bremsstrahlung and direct lepton pair production as an estimation of the frequency of muon EM-interactions. In this work we only considered muons with momenta above 10 GeV/c. The number of visible Dark Photon decays was calculated for a range of the coupling constant and photon mass. The resulting range that promised visible decay has already been excluded by previous experiments, but the method could be used to further investigate enhanced production of Dark Photons from muons and electrons, and possibly also production of Axion-like particles. The work could also be used to estimate sensitivities of other experiments using muons.

Going beyond previous statements, a way is presented which allows statements about smallest possible black holes. It turns out that they exist (theoretically) and that they represent a new stable elementary particle (called G-boson in this work), which shows connections to dark matter and makes dark energy necessary to explain astronomical observations, independent of its existence required in macroquantum theory. This results in logical sequences in the Big Bang, which make it appear in a somewhat different context than previously known.:Table of Contents 1. Abstract 2. Introduction 3. Preliminary consideration on the basis of Planck units 4. The boundary force 5. Boundary force and black holes, the G-boson 6. Properties of the G-boson 7. Origin of the G-bosons, the dark matter and energy 8. What does this mean for the big bang? 9. Astronomical findings 10. Summary

This thesis examines relativistic fluids. We have used the variational approach to develop tools for studying the dynamics of relativistic fluids to apply this to cosmological modelling. Studies like these go beyond the standard model in cosmology. Researchers believe that such extensions to the standard cosmological model are pivotal to resolving some of the long-standing cosmological problems. An example of such problems is the origin, growth (from quantum electromagnetic fluctuations to large-scale magnetic fields during inflation) and evolution of cosmological magnetic fields that exhibit as large-scale (cosmological) magnetic fields in late time. One other example is the coincidence problem. The standard approach in such studies is to use modelling in the form of the single-fluid formalism. As an alternative one can consider the single-fluid and multi-fluid formalisms that incorporate aspects of electrodynamics and thermodynamics, respectively in the context of the variational approach. This might help us make progress in trying to either resolve some of these problems or at least open up new ways of addressing them. In this regard, we have extended the well-known M¨ueller-Israel-Stewart (hereafter MIS) formalism to allow us to examine the effect on fluid flow in which the components of the multi-species fluids interact thermodynamically. We use the extension to the MIS theory in the context of interacting species to study the growth of dark matter and dark energy, and find that either interaction or entrainment involving dark energy and dark matter suggests a mutual relative modulation of the growth behaviour of the two densities. This may aid in resolving the coincidence problem. Our examination of inflation-generated, large-scale magnetic fields reveals a super-adiabatically evolving mode from the beginning of the radiation-dominated epoch to either much later during the epoch or probably extending far into the era of matter domination which may account for late time, large-scale magnetic fields.

Les travaux présentés dans cette thèse contraignent les paramètres d'un modèle de cosmologie, le modèle du galileon, et d'un modèle de physique des particules, le modèle du branon, qui sont des extensions des modèles standards. Ces modèles, qui supposent l'existence d'un champ scalaire additionnel et peuvent trouver leurs origines dans les théories à dimensions supplémentaires, offrent des explications élégantes aux questions de la nature de l'énergie noire et de la matière noire respectivement. La première partie de cette thèse présente les prédictions du modèle du galileon et les résultats obtenus par leur comparaison aux observations cosmologiques et astrophysiques récentes. Cette étude montre que le modèle du galileon a de sérieuses difficultés à reproduire ces observations, qui regroupent le fond diffus cosmologique, les mesures liées aux distances cosmologiques, et l'observation d'un évènement par ondes gravitationnelles et contrepartie électromagnétique. La seconde partie décrit la recherche de branons dans les collisions proton-proton enregistrées en 2016 par le Solénoïde Compact à Muons au Grand Collisionneur de Hadrons, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Des évènements qui présentent un jet de haute énergie, produit par un quark ou gluon ou bien par désintégration hadronique d'un boson vecteur, et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés et comparés aux estimations pour les évènements de bruits de fond. Aucun excès d'évènements n'est observé, ce qui permet de poser des contraintes sur les valeurs possibles des paramètres du modèle du branon. / This PhD thesis presents constraints on the parameters of a cosmological model, the galileon model, and a particle physics model, the branon model. Both are extensions of the standard models that include an additional scalar field and that can be built from extra dimensions theories. The galileon model propose an alternative to the cosmological constant as the nature of dark energy, and the branon model give a dark matter particle candidate. The first part of this thesis shows the predictions of the galileon model and the results obtained from their comparison with recent cosmological and astrophysical observations. The set of observations used contains the cosmic microwave background, cosmological distances measurements and the detection of gravitational waves along with their electromagnetic counterpart from the merger of a binary star system. The study shows that the galileon model has serious difficulties to reproduce these observations. The second part describe the search for branons in proton-proton collisions data at 13 TeV collected in 2016 with the Compact Muon Solenoid at the Large Hadron Collider. Events with high energy jets, produced by a quark, a gluon or a vector boson decaying hadronically, and missing transverse energy in the final state are selected and compared to background estimations. No excess of event has been found allowing for experimental constraints to be put in the parameter space of the branon model.

Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.