Le mécanisme de génération de masses des neutrinos, la nature de la matière noire et l’origine de l’asymétrie baryonique de l’Univers sont les trois questions les plus pressantes dans la physique moderne des astroparticules, qui exigent l’introduction d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur ces trois questions en fournissant une solution possible en termes d'une extension minimale du Modèle Standard, constituée par l’ajout d'un ensemble de fermions stériles au contenu des champs de la théorie. Les fermions stériles sont des champs qui sont singlets de jauge et qui peuvent interagir avec les neutrinos actifs à travers des termes de mélange. Nous nous concentrons sur le mécanisme dit de l’Inverse Seesaw (ISS), qui est caractérisé par une faible échelle de la nouvelle physique (de l’ordre TeV ou inférieure) et qui peut être testé dans les installations expérimentales actuelles et futures.
Nous présentons l'analyse qui permet d’identifier les réalisations minimales de ce mécanisme et l'étude phénoménologique pour prendre en compte la masses des neutrinos légers et pour imposer toutes les contraintes expérimentales pertinentes au modèle, ainsi que les signatures expérimentales attendues. Nous montrons la viabilité de l’hypothèse que les neutrinos stériles constituent la matière noire, et les caractéristiques de cette solution dans le mécanisme minimale de l’ISS. La possibilité d’expliquer avec succès l'asymétrie baryonique à travers un processus de leptogenèse dans une réalisation testable du mécanisme est aussi adressée.
Il est important de chercher des manifestations des fermions stériles dans les expériences de laboratoire. Nous abordons ce point en faisant des prévisions sur les rapports des branchement attendus pour les désintégrations des bosons vectoriels qui violent le saveur leptonique, qui peuvent être véhiculés par les fermions stériles. Nous étudions aussi l'impact des fermions stériles sur les fits globaux des données de précision électrofaible. / The neutrino mass generation mechanism, the nature of dark matter and the origin of the baryon asymmetry of the Universe are three compelling questions that cannot be accounted for in the Standard Model of particle physics. In this thesis we focus on all these issues by providing a possible solution in terms of a minimal extension of the Standard Model, consisting in the addition of a set of sterile fermions to the field content of the theory. Sterile fermions are gauge singlet fields, that can interact via mixing with the active neutrinos. We focus on the Inverse Seesaw mechanism, which is characterised by a low (TeV or lower) new physics scale and that can be tested in current and future experimental facilities. We present the model building analysis that points towards the minimal realisations of the mechanism, and the phenomenological study in order to accommodate light neutrino masses and to impose all the relevant experimental constraints in the model, as well as the expected experimental signatures. We show the viability of the sterile neutrino hypothesis as dark matter component, together with the characteristic features of this scenario in the minimal Inverse Seesaw mechanism. The possibility of successfully accounting for the baryon asymmetry in a testable realisation of the leptogenesis mechanism is also addressed.On the other side it is important to look for manifestations of sterile fermions in laboratory experiments. We address this point by making predictions for the expected rates of rare lepton number violating decays of vector bosons, that can be mediated by sterile fermions, as well as by studying the impact of sterile fermions on global fit of electroweak precision data.

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Le détecteur proportionnel sphérique gazeux, SPC (Spherical Proportional Counter), est un nouveau concept de détecteur de particules. Ses principales caractéristiques sont : un seuil très bas en énergie indépendant du volume (faible capacité électronique), une bonne résolution en énergie, une grande robustesse et une seule voie de lecture. SEDINE, un détecteur bas bruit de fond, destiné à la recherche de matière noire légère, a été fabriqué et installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Il est actuellement opérationnel et vise à mesurer les évènements rares à bas seuil en énergie. La sensibilité dans la détection d’événements rares étant à basse énergie directement corrélée au niveau du bruit de fond du détecteur, la diminution du seuil en énergie ainsi que celle du bruit de fond ont été la problématique principale de cette thèse. Un effort important a été consacré à la mise en opération du dispositif expérimental. Plusieurs paramètres de détection ont été optimisés : homogénéité du champ électrique dans le volume de l’enceinte, tenue aux étincelles, niveau du bruit de fond électronique et l’étanchéité du détecteur. Le détecteur a été optimisé pour assurer un fonctionnement avec un gain stable à haute pression. La modification du blindage, les nettoyages de l’enceinte du détecteur et l’ajout d’une tente anti-Radon ont permis de réduire significativement le bruit de fond de SEDINE. Les progrès accomplis ont permis d’augmenter la sensibilité du détecteur à basse énergie à une valeur comparable, pour des WIMPs à basse masse, aux autres expériences de recherche souterraines. Nous présentons donc des résultats avec un bruit de fond mesuré, dans la région du keV, qui nous permet de donner une figure d’exclusion compétitive pour la production de la matière noire légère. / The Spherical gaseous detector (or Spherical Proportional Counter, SPC) is a novel type of a particle detector, with a broad range of applications. Its main features in- clude a very low energy threshold which is independent of the volume (due to its very low capacitance), a good energy resolution, robustness and a single detection readout channel. SEDINE, a low background detector installed at the underground site of Laboratoire Souterrain de Modane is currently being operated and aims at measuring events at a very low energy threshold, around 40 eV. The sensitivity for the rare events detection at low energy is correlated to the detector background and to the decreasing the level of energy threshold, which was the main point of this thesis. A major effort has been devoted to the operating of the experimental detector. Several detection parameters were optimized: the electric field homogeneity in the sphere, keeping clear of sparks, the electronic noise level and the leak rate of the detector. The detector is optimized for operation with a high pressure stable gain. The modification of the shield, cleanings of the detector and the addition of an anti-Radon tent have significantly reduced the background of SEDINE. Progress has increased the sensitivity of the detector at low energy up to a value comparable to the results other underground research experiences for the low mass WIMPs. We will present the results with a measured background in the region of keV, which has allowed us to show a competitive figure of exclusion for the production of light dark matter.

Cette thèse s’intéresse aux combinaisons d’observables cosmologiques provenant des mesures du fond diffus cosmologique et des relevés de galaxies, et est basée sur l’exploitation des données du satellite Planck et du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) du Sloan Digital Sky Survey. On explore l’utilisation de corrélations croisées entre les jeux de données afin de mettre en évidence de nouveaux effets et d’améliorer les contraintes statistiques sur les paramètres cosmologiques. Dans un premier temps, on mesure pour la première fois une corrélation entre le lentillage gravitationnel du fond diffus cosmologique et le spectre de puissance des fluctuations de la forêt Lyman-α des quasars. Cet effet, d’origine purement non-linéaire, est interprété comme la réponse du spectre de puissance à des grandes échelles. Il montre comment les fluctuations dans la densité en hydrogène neutre dans le milieu intergalactique sont influencées par des fluctuations à grande échelle dans la densité de matière noire. Le signal mesuré est compatible avec l’approche théorique et des simulations menées par d’autres groupes. Dans un deuxième temps, on développe un formalisme permettant une analyse conjointe de la densité de galaxies et de quasars de BOSS avec le lentillage gravitationnel du fond diffus cosmologique. La prise en compte des corrélations croisées entre ces sondes permet de diminuer les barres d’erreurs de certains paramètres cosmologiques de 20%, ce qui équivaut à augmenter la surface couverte par les relevés de presque 50%. Cette analyse est complétée par la mesure des anisotropies de température du fond diffus cosmologique afin de contraindre tous les paramètres du modèle standard ΛCDM, ainsi que les biais des galaxies. Puis on étend le modèle afin d’explorer les contraintes sur l’équation d’état de l’énergie noire et la somme des masses des neutrinos / This thesis addresses the combinations of cosmological probes from the measurements of the cosmic microwave background (CMB) and galaxy redshift surveys, and exploits data from the Planck satellite and the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) of the Sloan Digital Sky Survey. It explores how cross-correlations between different data sets can be used to detect new signals and improve contraints on cosmological parameters. First, we measure, for the first time, the cross-correlation between gravitational lensing of the CMB and the power spectrum of the Lyman-α forest in the spectra of quasars. This effect, which emerges from purely non-linear evolution, is interpreted as the response of the power spectrum to large-scale modes. It shows how fluctuations in the density of neutral hydrogen in the intergalactic medium are affected by large-scale fluctuations in the density of dark matter. The measured signal is compatible with the theoretical approach and simulations run by another group. In a second time, we develop a formalism enabling the joint analysis of the galaxy/quasar density contrast and CMB lensing. Taking cross-correlations between these probes into account reduces error bars on some cosmological parameters by up to 20%, equivalent to an increase in the size of the survey of about 50%. This analysis is completed by CMB temperature anisotropies information in order to constrain all the parameters of the ΛCDM standard model and galaxy biases at once. Finally, it is extended to obtain contraints on the dark energy equation of state as well as the sum of the masses of neutrinos

This thesis uses theoretical studies, and numerical simulations to provide results of the experimental reach to detect the QCD axion as dark matter in a Non-standard cosmological background. Assuming that the QCD axion constitutes the full CDM abundance of the universe, this thesis elaborates on its potential detection from experimental setups for the mass window of the axion. The set of results that is obtained here are the relic CDM energy density of axions produced by the vacuum realignment mechanism and the CDM energy density of axions produced from the decay of a network of cosmic strings. This thesis provides results regarding the possibility to detect a primordial gravitational wave relic, which is possible within some favorable cosmological scenarios for the background.

Le réseau d'imageurs Cherenkov atmosphériques HESS (High Energy Stereoscopic System) est présenté. La simulation des gerbes atmosphériques et de l'instrument est détaillée et comparée aux données obtenues pendant les six premiers mois de fonctionnement. Après la présentation des méthodes d'étalonnage et d'extraction du signal gamma, ces techniques sont appliquées aux données prises sur la nébuleuse du Crabe. On obtient un signal significatif permettant d'estimer un flux différentiel à 1 TeV en accord avec les résultats obtenus par d'autres expériences dans le même domaine en énergie. Ces résultats sont exploités pour estimer le potentiel de détection de HESS au signal gamma d'annihilation de neutralinos en provenance du centre galactique et de l'amas globulaire Omega du Centaure. Dans cette étude, une modélisation des halos de matière noire est confrontée aux observations astrophysiques.

This thesis is an investigation of the subject of extra dimensions in particle physics. In recent years, there has been a large interest in this subject. In particular, a number of models have been suggested that provide solutions to some of the problem with the current Standard Model of particle physics. These models typically give rise to experimental signatures around the TeV energy scale, which means that they could be tested in the next generation of high-energy experiments, such as the LHC. Among the most important of these models are the universal extra dimensions model, the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopolous, and Dvali, and models where right-handed neutrinos propagate in the extra dimensions. In the thesis, we study phenomenological aspects of these models, or simple modifications of them. In particular, we focus on Kaluza–Klein dark matter in universal extra dimensions models, different aspects of neutrino physics in higher dimensions, and collider phenomenology of extra dimensions. In addition, we consider consequences of the enhanced renormalization group running of physical parameters in higher-dimensional models. / QC 20120427

The identity of dark matter is one of the key outstanding problems in both particle and astrophysics. In this thesis, I describe a number of complementary searches for particle dark matter. I discuss how the impact of dark matter on stars can constrain its interaction with nuclei, focussing on main sequence stars close to the Galactic Centre, and on the first stars as seen through the upcoming James Webb Space Telescope. The mass and annihilation cross-section of dark matter particles can be probed with searches for gamma rays produced in astronomical targets. Dwarf galaxies and ultracompact, primordially-produced dark matter minihalos turn out to be especially promising in this respect. I illustrate how the results of these searches can be combined with constraints from accelerators and cosmology to produce a single global fit to all available data. Global fits in supersymmetry turn out to be quite technically demanding, even with the simplest predictive models and the addition of complementary data from a bevy of astronomical and terrestrial experiments; I show how genetic algorithms can help in overcoming these challenges. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 5: Accepted. Paper 6: Submitted.

Cool molecular hydrogen H2 may be the ultimate possible constituent to the Milky-Way missing baryon. We describe a new way to search for such transparent matter in the Galactic disc and halo, through the diffractive and refractive effects on the light of background stars. By simulating the phase delay induced by a turbulent medium, we computed the corresponding illumination pattern on the earth for an extended source and a given passband. We show that in favorable cases, the light of a background star can be subjected to stochastic fluctuations of the order of a few percent at a characteristic time scale of a few minutes. We have searched for scintillation induced by molecular gas in visible dark nebulae as well as by hypothetical halo clumpuscules of cool molecular hydrogen (H2_He) during two nights, using the NTT telescope and the IR SOFI detector. Amongst a few thousands of monitored stars, we found one light-curve that is compatible with a strong scintillation effect through a turbulent structure in the B68 nebula. Because no candidate were found toward the SMC, we are able to establish upper limits on the contribution of gas clumpuscules to the Galactic halo mass. We show that the short time-scale monitoring of a few 10^6 star _ hour in the visible band with a >4 m telescope and a fast readout camera should allow one to interestingly quantify or constrain the contribution of turbulent molecular gas to the Galactic halo.

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.