[ES] Los neutrinos de alta energía son partículas esquivas: no tienen carga, tienen una sección transversal de interacción muy pequeña con la materia ordinaria y su masa es extremadamente pequeña. Los neutrinos son una sonda importante en el estudio del origen de los rayos cósmicos, y también, siguiendo algunos modelos de la física más allá del modelo Stardard, pueden producirse a partir de la propagación de partículas del modelo estándar producidas por la aniquilación de la materia oscura. En el último siglo, se han desarrollado muchos enfoques nuevos en la física de astropartículas, tratando de resolver los enigmas no resueltos del Universo, como el origen de los rayos cósmicos y la existencia de la materia oscura. Entre los diferentes experimentos destacan, sin duda, los telescopios de neutrinos. Los telescopios de neutrinos, consistentes en un gran volumen de un medio transparente monitorizado por sensores ópticos para detectar luz de Cherenkov, pueden detectar neutrinos de alta energía de fuentes galácticas o extragalácticas, y también pueden usarse para el estudio de las propiedades de los neutrinos. ANTARES y su sucesor KM3NeT son dos telescopios de neutrinos ubicados en el mar Mediterráneo. El telescopio ANTARES empezó a estar operativo en 2007 y ha tomado datos de forma casi continua hasta principios de 2022. KM3NeT, aprovechando la experiencia de ANTARES, pretende ser el telescopio de neutrinos más sensible de la próxima generación de detectores. Esta tesis presenta mis contribuciones en ambos detectores. En concreto, la parte técnica del trabajo se ha desarrollado en colaboración con KM3NeT. Está dedicado al estudio de los datos de los sensores de orientación instalados en los módulos de detección ópticos de KM3NeT: desde su calibración antes del despliegue en el mar hasta el análisis de sus datos in situ. Estos sensores permiten una monitorización de los movimientos de los elementos detectores en el mar. Por otro lado, en colaboración con ANTARES se ha desarrollado un análisis de física relacionado con la búsqueda de la aniquilación de la materia oscura en el Sol analizando trece años de datos. Se han obtenido nuevos límites superiores para los flujos de neutrinos y antineutrinos a partir de la aniquilación de materia oscura en el Sol, y a partir de estos, se han derivado límites superiores a la sección eficaz de dispersión de Materia Oscura - Nucleón. Estos resultados mejoran en un factor dos los resultados anteriores de ANTARES y son competitivos con respecto a otros experimentos. / [CA] Els neutrins d'alta energia són partícules esquives: no tenen càrrega, tenen una secció transversal d'interacció molt petita amb la matèria ordinària i la massa és extremadament petita. Els neutrins són una sonda important en l'estudi de l'origen dels raigs còsmics, i també, seguint alguns models de la física més enllà del Model Stardard, es poden produir a partir de la propagació de partícules del model estàndard produïdes per l'aniquilació de la matèria fosca. A l'últim segle, s'han desenvolupat molts enfocaments nous a la física d'astropartícules, tractant de resoldre els enigmes no resolts de l'Univers, com l'origen dels raigs còsmics i l'existència de la matèria fosca. Entre els diferents experiments destaquen, sens dubte, els telescopis de neutrins. Els telescopis de neutrins, consistents en un gran volum d'un medi transparent monitoritzat per sensors òptics per detectar llum de Cherenkov, poden detectar neutrins d'alta energia de fonts galàctiques o extragalàctiques, i també es poden utilitzar per a l'estudi de les propietats dels neutrins. ANTARES i el seu successor KM3NeT són dos telescopis de neutrins ubicats al mar Mediterrani. El telescopi ANTARES va començar a estar operatiu el 2007 i ha pres dades de forma gairebé contínua fins a principis del 2022. KM3NeT, aprofitant l'experiència d'ANTARES, pretén ser el telescopi de neutrins més sensible de la propera generació de detectors. Aquesta tesi presenta les meves contribucions a tots dos detectors. Concrètement, la part tècnica del treball s'ha desenvolupat en col·laboració amb KM3NeT. Està dedicat a l'estudi de les dades dels sensors d'orientació instal·lats als mòduls de detecció òptics de KM3NeT: des del calibratge abans del desplegament al mar fins a l'anàlisi de les seves dades in situ. Aquests sensors permeten una monitorització dels moviments dels elements detectors al mar. D'altra banda, en col·laboració amb ANTARES s'ha desenvolupat una anàlisi de física relacionada amb la recerca de l'aniquilació de la matèria fosca al Sol analitzant tretze anys de dades. S'han obtingut nous límits superiors per als fluxos de neutrins i antineutrins a partir de l'aniquilació de matèria fosca al Sol, i a partir d'aquests, s'han derivat límits superiors a la secció eficaç de dispersió de Materia Fosca - Nucleó. Aquests resultats milloren en un factor dos els resultats anteriors de ANTARES i són competitius respecte a altres experiments. / [EN] High energy Neutrinos are elusive particles: they are chargeless, have a very small cross section with ordinary matter and their mass is extremely small. Neutrinos are an important probe in the study of the origin of cosmic rays but also, following some models of physics Beyond the Standard Model, they can be produced from the decay of Standard Model particles produced by dark matter annihilation. In the last century, many new approaches have been developed in astroparticle physics, trying to solve the unsolved puzzles of the Universe such as the origin of Cosmic Rays and the existence of Dark Matter. Among the many experiments, neutrino telescopes certainly stand out. Neutrinos telescopes, made of large volume of a transparent medium observed by optical sensors, can detect high energy neutrinos from galactic or extra-galactic sources, and they can also be used for the study of neutrino properties. ANTARES and its successor KM3NeT are two neutrino telescopes located in the Mediterranean sea. ANTARES operations started in 2007 and it has taken data almost continuously until the beginning of 2022. KM3NeT, taking advantage from the experience of ANTARES, aims to be the most sensitive neutrino telescope in the next generation of detectors. This thesis presents my contributions to both detectors. In particular, the technical part of the work has been developed in collaboration with KM3NeT. It is devoted to the the study of data from the compasses installed in the KM3NeT detection elements: from their calibration before deployment to the analysis of their data in the sea. These compasses allow a tracking of the movements of the detector elements in the sea. In collaboration with ANTARES a physics analysis related to the search of dark matter annihilation in the Sun has been developed analyzing thirteen years of data. New upper limits for neutrino and antineutrino fluxes from dark matter annihilation in the Sun have been obtained, and from these upper limits on the Dark Matter - Nucleon scattering cross section have been obtained. These results improve previous ANTARES results by a factor of 2 and are competitive with those obtained by other experiments. / Poirè, C. (2022). Dark Matter Searches Towards the Sun with ANTARES and Positioning Studies for KM3NeT [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188750

Dark matter is now accepted as an integral part of our universe, and galaxy dynamics have long provided the most convincing observational evidence for dark matter. Spiral galaxies have traditionally been used for these studies because of their more simple kinematics, however elliptical galaxies need to be understood as well. In this dissertation I present deep long-slit spectroscopy from the University of Texas’ Hobby-Eberly Telescope for a sample of elliptical galaxies. For a subsample of galaxies I fit axisymmetric orbit-superposition models with a range of dark halo density profiles. I find that all three galaxies modeled require a significant dark halo to explain their motions. However, the shape of the dark halo is not the expected NFW profile, but rather a profile with a flat central slope. I also discuss the galaxy masses, anisotropies, and stellar mass-to-light ratios. / text

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE. / Experimental measurements show that only 4\% of the mass-energy density of the universe is made of atomic matter. Dark matter and dark energy are responsible for 24\% and 71\% of the mass-energy density. The theory of supersymmetry predicts a new set of particles. The neutralino, which is the lightest stable particle, is one of the favorite candidates for dark matter. The Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects (PICASSO) seeks dark matter using superheated droplets detectors (SDD). A phase transition occurs when a particle interact with a C$_4$F$_{10}$ droplet and deposits enough energy within a certain critical radius. An acoustic wave is created during this phase transition and piezoelectric sensors transform this acoustic signal into an electrical signal. This signal is then amplified, digitised and recorded for further analysis. In this work is presented a study on superheated droplets detectors aiming in particular at an improvement of the alpha background discrimination. The data acquisition system has been tested in order to check the coupling between the piezoelectric sensors and the acrylic wall of the detector, the efficiency of the amplifier gain of the piezoelectric sensors and the effect of the gain on the quality of the signal. The SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) experiment stated that they could obtain a 97\% discrimination of the alpha background using superheated droplets detectors and electric microphones. This work concludes that PICASSO detectors are not sensitive to this effect. Finally, a small droplet detector has been studied and it has been concluded that a small droplets site does not improve the alpha background discrimination.

The lack of direct evidence for physics beyond the SM at the LHC has led some to reevaluate the need for such physics to solve the hierarchy problem. Instead, the notion that the SM, or something like it, is valid up to the Planck scale and that technical naturalness is sufficient for solving the hierarchy problem has been suggested. This thesis examines minimal extensions of the SM that address its phenomenological and theoretical shortcomings while avoiding new physics between the electroweak and Planck scales that introduces a hierarchy problem. This thesis first studies two issues with the vMSM - an extension of the SM by three right-handed neutrinos - and their possible solutions. The first issue is the tension between dark matter production in the nuMSM and constraints from the Lyman-alpha forest data. To avoid this tension, the vMSM is extended by a Higgs singlet Φ and neutrino dark matter is produced through the decays of Φ rather than through left-right neutrino mixing. It is shown that the hierarchical parameters of this model can arise from symmetries broken at or near the Planck scale for two specific examples: one in which Φ stabilizes the electroweak vacuum and one in which Φ is a light inflaton. The second issue pertains to Higgs ξ-inflation. In the vMSM, a large non-minimal coupling ξ of the Higgs to gravity gives inflation but leads to a possible violation of perturbative unitarity below the inflationary scale. A study of Higgs ξ-inflation with M_h ≃ 125-126 GeV, for which the Higgs self-coupling λ runs to small values near the Planck scale, is carried out. It is shown that small λ can significantly reduce ξ required for inflation, but ξ cannot be small enough to address the possible unitarity issue. For small λ, a new region of Higgs ξ-inflation with a large tensor-to-scalar ratio r that is consistent with BICEP2 is discovered. This thesis then studies the technical naturalness and cosmology of a model that addresses the strong CP problem. It is shown that a classically scale invariant DFSZ invisible aξon model with a Peccei-Quinn scalar S, whose couplings to the SM are ultra-weak, can solve the strong CP problem and generate electroweak symmetry breaking via the Coleman-Weinberg mechanism. The ultra-weak couplings of S are natural due to an underlying approξmate shift symmetry. The model contains a light pseudo-Goldstone dilaton that can be consistent with cosmological bounds while the aξon can be the dark matter of the universe. Finally, a summary of the thesis is presented and future research topics are suggested.

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron. / The latest cosmological measurement showed the presence of a type of exotic matter constituing of 85% mass-energy of the universe. This type of non-baryonic matter would consist of neutral, non-relativistic, massives particules which are weakly interacting with normal matter. All the candidates are grouped under the generic name of WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles). The PICASSO project (Project In CAnada to Search for Supersymmtric Objects) is an experiment using superheated liquid C4F10 as target material. The detection principle is a variant of the bubble chamber technique and the experiment ins installed in the SNOLAB underground laboratory in Sudbury (Ontario). The goal of this project is to make a direct measurement of a dark matter particle. The detection principle is that a dark matter particule interacting with the active liquid produces a nuclear recoil of 19F. The energy deposition of the recoiling fluorine nucleus triggers a phase transition accompagnied by an acoustic signal recorded by piezoelectrics sensors. In this work, the simulation of the count rate of PICASSO detectors subjected to monoenergetic neutron beam was performed using the theory of Seitz which describes particle induced phase transitions in supherheated liquids. which describes the criteria for a phase transition to occur in a superheated liquid. In addition, a model calculating the acoustic signal emitted during a phase transition caused by different types of radiation has been developped which allowed the characterisation of the discrimination between different kind of background events as a function of threshold energy. Finally, an acoustic signal analysis tools, the localisation of events, was used to apply fiducial cuts to the detectors in order to improve the alpha-neutron discrimination.

J'ai démontrer la faisabilité de la sélection de la cible pour les galaxies en ligne des émissions lumineuses. Je comprends maintenant les principaux mécanismes physiques de conduite de l'efficacité d'une sélection, en particulier le rapport à la photométrie de parent. Une question reste perplexe, je ne pouvais pas encore estimer quantitativement l'impact de la poussière sur l'efficacité de la sélection. J'espère que d'aborder cette question avec l'ensemble des données décrites dans le chapitre 4.En dehors de la ligne de sélection de la cible de la galaxie d'émission, j'ai étudié, au premier ordre, les deux principales erreurs systématiques sur la détermination de l'échelle BAO nous attendent en raison de l'utilisation galaxies en ligne des émissions comme traceurs de la question. J'ai d'abord montré le caractère incomplet de la distribution redshift, en raison de la mesure du décalage spectral avec [Oii], est lié à la résolution instrumentale. Je trouve qu'il ya deux régimes intéressants. Pour une observation des plus brillants [OII] émetteurs, une résolution modérée est suffisante, alors que pour une enquête plus faible, la plus haute de la résolution le meilleur. Deuxièmement, j'ai estimé le biais de la galaxie linéaire des sélections discuté avant et je trouve qu'ils sont très biaisés. D'une part, ce sont d'excellentes nouvelles pour les observateurs, comme le temps nécessaire pour observer à un signal donné au bruit dans le spectre de puissance diminue avec le carré de la partialité. D'autre part, elle constitue un nouveau défi pour les algorithmes de reconstruction et la fabrication de catalogues simulacres. / In this PhD, I demonstrate the feasibility of the target selection for bright emission line galaxies. Also I now understand the main physical mechanisms driving the efficiency of a selection, in particular the relation to the parent photometry. A puzzling issue remains, I could not yet estimate quantitatively the impact of the dust on the selection efficiency. I hope to address this question with the data set described in chapter 4.Apart from the emission line galaxy target selection, I investigated, at first order, the two main systematic errors on the determination of the BAO scale we expect due to using emission line galaxies as tracers of the matter. First I showed the incompleteness in the redshift distribution, due to the measurement of the redshift with [Oii], is related to the instrumental resolution. I find there are two interesting regimes. For an observation of the brightest [Oii]emitters, a moderate resolution is sufficient, whereas for a fainter survey, the highest the resolution the best. Secondly, I estimated the linear galaxy bias of the selections discussed before and I find they are highly biased. On one hand, this is great news for the observers, as the time required to observed at a given signal to noise in the power spectrum decreases with the square of the bias. On the other hand, it constitutes a new challenge for reconstruction algorithms and the making of mock catalogs. The work in progress described in the last chapter shows I am starting to try and handle these questions in a robust manner.

Un siècle après le modèle d'univers de Friedmann-Lemaître, les observations le confortent avec une constante cosmologique $\Lambda$ et une composante de matière sombre (noire) sans pression (poussière) et froide dominant celle baryonique, que l'on désigne par modèle $\Lambda$CDM. L'accélération de l'expansion de l'Univers confirmée par le diagramme de Hubble des supernovae en 1998 impose une valeur strictement positive à la constante cosmologique. Mes travaux de thèse se focalisent sur l'estimation des valeurs de paramètres cosmologiques du modèle standard en utilisant la technique de corrélation nulle. Cette approche présente l'avantage d'être plus robuste que les techniques usuelles. Ce travail a consisté aussi à modéliser des échantillons de l'événement quasar ainsi que l'événement supernova, une extrapolation adaptée du premier. Ce qui a permis de générer des échantillons conformes aux hypothèses des modèles, afin de valider les approches statistiques. Nous avons exploité les données du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) pour les quasars, et celles du SuperNova Legacy Survey (SNLS) et du SDSS-II pour les supernovae. Les inférences statistiques ont conduit à un univers spatialement fermé et une présence de matière noire plus faible. Dans le cadre d'une prochaine application de cette technique, elle sera utilisée pour contraindre les modèles d'énergie noire. De même, l'utilisation des amas de galaxies observées grâce à l'effet de Sunyaev Zel'dovich, servira d'échantillon cosmologique. Une telle étude pourra contribuer à apporter un élément de réponse à la validité du rôle supposé des neutrinos massifs dans la formation des amas dans l'ère primordiale de l'Univers. / A century after the Universe model of Friedmann-Lemaître, the observations comfort it with a cosmological constant $\Lambda$ and a dark matter component without pressure (dust) and cold dominating the baryonic one, which is denoted by $\Lambda$CDM model. The acceleration of the expansion of the Universe confirmed by the Hubble diagram of the supernovae in 1998 imposes a strictly positive value on the cosmological constant. My thesis work focuses on the estimation of the cosmological parameters values of the standard model using the null correlation technique. This approach has the advantage of being more robust than the usual techniques. This work deals with modelling samples of the quasar event and the supernova event, which enables us to generate samples in order to validate the statistical approaches. We used data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) for quasars, and the SuperNova Legacy Survey (SNLS) and SDSS-II for supernovae. The Statistical inferences suggest a Universe spatially Closed and a weaker presence of dark matter than that in the Standard model. Such a statistical analysis can be used to constrain dark energy models. Application of this technique might be useful for analyzing of clusters of galaxies observed through the effect of Sunyaev Zel'dovich, in view of deriving the cosmological model and provide an answer to the question of the contribution of massive neutrinos in the formation of clusters in the primordial era of the Universe.

Há várias evidências experimentais da existência de matéria escura no universo. Apesar destas evidências, pouco se sabe sobre sua constituição, sabendo-se apenas que interage gravitacionalmente, mas não eletromagneticamente. Neste projeto, investigamos a possibilidade da matéria escura ser composta por partículas supermassivas e fortemente interagentes (Simpzillas). Para isto determinamos o sinal que deve ser deixado no telescópio IceCube por neutrinos resultantes de aniquilações de matéria escura no Sol. Após determinarmos o espectro de neutrinos no centro do Sol, simulamos sua propagação até a superfície, depois até a Terra e através da Terra até o detector. Comparamos então estes resultados com os fornecidos pelo IceCube. Esta comparação permite testar uma região do espaço de fase massa versus seção de choque previamente não-excluída por outros tipos de experiência que não telescópios de neutrinos. Como resultado, concluímos que partículas supermassivas e fortemente interagentes não podem constituir a matéria escura. / There are many experimental evidences for the existence of dark matter in the universe. Despite these evidences, there is no knowledge about its constitution other than the fact that it interacts gravitationally but not electromagnetically. In this project, we investigate the possibility that dark matter is composed of strongly interacting massive particles (Simpzillas). We determine the expected signal in the IceCube telescope from Simpzilla annihilation in the center of the Sun. We first determine the neutrino spectrum in the core of the Sun. We then simulate its propagation through both the Sun and Earth, and finally the rate of neutrinos at the detector. A comparison of these results to the ones published by the IceCube collaboration covers a large region of the yet not excluded regions of the mass versus cross-section phase space. As a result, the possibility of Simpzillas composing the dark matter is ruled out.

Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange. / The Standard Model of particles physics is a well-tested theory at the electroweak scale. However this is not the end of the story. For instance, it does not solve the dark matter problem, which is one of the major issues of the modern physics. About 85% of the matter in the Universe is not describe by the Standard Model. It is called dark matter. This thesis presents a category of models responding to the dark matter problem. These models are based on the WIMP-paradigm, stating that a neutral particle with an electroweak cross-section and with an electroweak-scale mass roughly explains the observed relic abundance. Nevertheless, a closer look reveals that this correspondence is quantitatively not very precise since multi-TeV dark matter masses are required for the simplest models, which is 1-2 orders of magnitude larger than the electroweak scale. However, with an extended dark sector, it is possible to maintain the dark matter particle mass close to the electroweak scale and to keep the observed relic density. My thesis discloses simple effective models of fermionic WIMP dark matter, where the dark matter candidate is a mixture of a Standard Model singlet and an n-plet of SU(2)×U(1). The dark matter is assumed to be aroundthe electroweak scale, and the mixing is generated by higher-dimensional operators involving the Higgs doublet. Upon electroweak symmetry breaking, the Higgs takes its vacuum expectation value and non diagonal mass matrices are generated for the dark matter sector. This causes mixing between dark matter sector states, and physical states and masses are obtained by diagonalising the mass matrices. For suitable parameters, it is always possible to adjust the mixing to reproduce the observed relic density. This is reffered to as a well-tempered mixing. In order to stabilise the dark matter particle, we need to add a discrete symmetry under which the dark matter sector is odd and the Standard Model is even. For n odd, the n-plet is a Majorana multiplet with zero hypercharge. For n even, we consider a bi-multiplet with opposite hypercharges of ± 1/2 such as to form a Dirac spinor. We focus on the observed relic density and the direct detection constraints for the singlet-triplet, singlet-quadruplet and singlet-quintuplet configurations. Note that bounds from indirect detection are less stringent than those from direct detection. We impose electroweak mass for the dark matter particle such that it could be produced by the LHC. Results show that it is always possible to find a choice of parameters reproducing the observed relic density with an electroweak dark matter mass which conforms to the direct and a fortiori indirect detection constraints. In the region of validity of the effective theory, direct detection is less constraining for higher representations of the n-plet due to the tiny mixing.

Esta tese tem como objetivo o estudo de aspectos dinâmicos e estatísticos da matéria escura em distribuições esféricas de massa. O fato de suas partículas constituintes interagirem gravitacionalmente mas não eletromagneticamente, e portanto sua evolução ser regida por interações de longo alcance, traz algumas complicações teóricas na descrição de suas propriedades nos termos da mecânica estatística, dificuldades compartilhadas com sistemas auto-gravitantes em geral. Para melhor compreender essas propriedades, estudamos as distribuições de matéria escura em três abordagens diferentes. Na primeira, utilizamos dados observacionais, utilizando lentes gravitacionais, em aglomerados de galáxias para comparar a performance de alguns modelos propostos para o perfil de densidade da matéria escura. Dividimos estes modelos em fenomenológicos ou teóricos. Dos primeiros, todos são capazes de descrever os dados observacionais com performance comparável. Entre os modelos teóricos estudados, o modelo chamado DARKexp descreve os dados tão bem quanto os primeiros. Numa segunda abordagem, utilizamos dados de simulações numéricas para testar uma função proposta para a distribuição de velocidades das partículas. Esta função inclui a anisotropia no campo de velocidades na chamada distribuição q-gaussiana. Comparamos a performance desta função com a da função gaussiana e concluímos que a primeira representa uma melhor descrição dos dados, mesmo levando em conta a introdução de um parâmetro extra, apesar de ainda apresentar algumas discrepâncias, especialmente nas regiões internas dos halos. Por fim, discutimos a possível relevância do conceito de indistinguibilidade na determinação dos estados de equilíbrio de sistemas auto-gravitantes em geral, propondo uma associação deste conceito com o nível de mistura do sistema. Implementamos esta associação numa análise combinatória e estudamos as conseqüências para a determinação da função distribuição e do perfil de densidades. Esta associação também levanta algumas dúvidas sobre a validade da equação de Vlasov durante o processo de relaxação violenta. / This thesis aims to study the dynamic and statistical aspects of dark matter in spherical distributions. The fact that their constituent particles interact gravitationally but not electromagnetically, and therefore its evolution is governed by long-range interactions, brings some theoretical complications in their description in terms of the statistical mechanics, difficulties shared with self-gravitating systems in general. To better understand these properties, we studied the distributions of dark matter in three different approaches. First, we used observational data, using gravitational lensing in galaxy clusters to compare the performance of some proposed models for the dark matter density profile. We divide these models in phenomenological or theoretical. All of the formers are able to describe the observational data with comparable performance. Among the theoretical models studied, the model called DARKexp describes the data as well as the formers. In a second approach, we use numerical simulation data to test a proposed function for the velocity distribution. This function includes the velocity anisotropy into the so called q-Gaussian distribution. We compared the performance of this function with the Gaussian function and concluded that the first is a better description of the data, even taking into account the introduction of an extra parameter, although still presenting some discrepancies, especially in the inner regions of the halo. Finally, we discuss the relevance of the concept of indistinguishability in determining the states of equilibrium of self-gravitating systems in general, suggesting an association of this concept with the mixing level of the system. We implement this association in a combinatorial analysis and study the consequences for the determination of the distribution function and the density profile. This association also raises some questions about the validity of the Vlasov equation during the process of violent relaxation.