L'observatoire Pierre Auger est une expérience de détection du rayonnement cosmique aux plus hautes énergies jamais mesurées. Ce dernier possède deux sous-ensembles de détection différents et complémentaires qui lui confèrent des capacités sans précédents pour l'étude du rayonnement cosmique. Le détecteur est également sensible aux neutrinos de ultra haute énergie, et ce bien qu'il n'ait pas été conçu dans ce but. Au cours de cette thèse, un programme de simulation a été développé afin d'étudier la propagation et l'interaction des neutrinos taus dans la croûte terrestre, travail nécessaire à l'étude du premier des deux canaux de détection possible, mettant en jeu des neutrinos de type tau traversant la terre sur une faible épaisseur, et venant interagir dans la roche à proximité du détecteur. En plus de fournir la probabilité de conversion neutrino-tau, nécessaire pour le calcul de l'acceptance du détecteur, celui-ci a également permis d'étudier en détail des processus liés à la propagation des particules dans la roche, permettant de mieux comprendre leur impact sur les résultats de l'analyse. La seconde partie du travail concerne les neutrinos interagissant directement dans l'atmosphère, à la manière des rayons cosmiques classiques. Pour ce deuxième canal de détection, un critère de sélection a été développé à partir de la comparaison de simulation de gerbes atmosphériques, induites par des neutrinos de ultra haute énergie, avec les données brutes du détecteur. L'étude des neutrinos à l'observatoire Pierre Auger a permis d'obtenir deux limites sur le flux diffus de neutrinos de ultra haute énergie, parmi les plus contraignantes à des énergies de l'ordre de l'EeV.

La thèse s'intéresse à l'étude des rayons cosmiques de très hautes énergies qui lorsqu'ils pénètrent l'atmosphère terrestre dissipent leur énergie en produisant une multitude de particules secondaires, cet ensemble étant appelé une gerbe atmosphérique. L'expérience CODALEMA permet l'étude de l'émission radioélectrique des gerbes atmosphériques, au moyen d'antennes dans le domaine de fréquences de 1 à 100 MHz. Nous avons étudié dans un premier temps certaines questions concernant le calcul du champ électrique à partir des caractéristiques de la gerbe dans le but de dégager les effets prépondérants dans la génération du signal radio. Nous avons ensuite examiné comment exploiter une méthode de prédiction linéaire pour permettre la détection des transitoires associés aux gerbes dans l'environnement radioélectrique bruité dans la gamme de fréquence où l'expérience est menée. Nous avons enfin examiné comment les signaux récoltés permettent d'étudier le mécanisme d'émission du champ électrique par les gerbes. Ce travail d'analyse permet de faire un pont entre les deux premières études.

Plus d'un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques continuent d'intriguer les physiciens. Le flux de ces particules d'origine extraterrestre décroît fortement en fonction de leur énergie. Au-delà de 1 PeV(10¹⁵ eV), le flux devient trop faible pour permettre la détection directe sur des échelles de temps raisonnables. Cependant, les cascades de particules secondaires créées après l'interaction des rayons cosmiques avec les constituants de l'atmosphère sont détectables depuis le sol, c'est la détection indirecte. A partir de 100 PeV, le nombre d'observations est trop faible pour estimer de manière précise la masse des rayons cosmiques et ainsi contraindre les modèles de mécanismes d'accélération, de propagation et de type de sources. La détermination de la composition est effectuée à l'Observatoire Pierre Auger par les télescopes de fluorescence via la mesure de la variable Xmax avec un cycle utile de 14%. Xmax est la profondeur d'atmosphère traversée à laquelle le nombre de particules secondaires atteint sa valeur maximale. Cette observable est fortement corrélée à la masse du rayon cosmique qui a initié la gerbe. Un grand nombre d'observations est requis pour effectuer une détermination précise de la masse car les fluctuations statistiques de Xmax sont importantes. La radio détection apparaît alors comme une excellente alternative à la détection par fluorescence, puisque la technique mesurant ce signal a un cycle utile proche de 100%. Cette thèse propose une méthode d'estimation de la masse des rayons cosmiques d'ultra haute énergie basée seulement sur l'étude des signaux radio et leur simulation, afin de reconstruire de manière systématique l’énergie, le cœur et la profondeur Xmax des gerbes détectées par l’expérience AERA sur le site de l'Observatoire Pierre Auger en Argentine. L'influence de la modélisation de l'atmosphère dans le code de simulation SELFAS sur les valeurs reconstruites est étudiée. Notamment la géométrie des couches atmosphériques, la manière de traiter l'indice de réfraction et la densité de l'air ainsi que leurs variations journalières et saisonnières. / More than a century after their discovery, cosmic-raysare still puzzling physicists. The flux of these particlescoming from extraterrestrial sources strongly decreasesas a function of their energy. Above 1 PeV (10¹⁵ eV), theparticle flux becomes too low to allow a direct detectionon a reasonable time scale. However, the cascades ofsecondary particles produced after the interaction ofcosmic-rays with the constituents of the atmosphere aredetectable at the ground level; it is the indirect detection.Above 100 PeV, the number of observations is too lowto accurately estimate the mass of the cosmic rays andthen to constrain the prediction models of accelerationmechanisms, propagation and type of sources. Thedetermination of their composition is achieved at thePierre Auger Observatory using fluorescencetelescopes from the measurement of the Xmaxobservable with a duty cycle of 14%. Xmax, defined asthe atmosphere depth at which the number ofsecondary particles reaches its maximal value, is highlycorrelated to the mass of the cosmic ray that hascreated the air shower. A large number of observationsis required for a precise estimation of the mass as theXmax statistical fluctuations are important. The radiodetection is a perfect alternative to the fluorescencemethod as the duty cycle of a typical radio detector isclose to 100%. This thesis proposes a method toestimate the mass of ultra-high energy cosmic raysusing only the radio signals and their simulation. Thegoal is to systematically reconstruct the Xmax depth ofeach air shower detected by the AERA experimentwithin the site of the Pierre Auger Observatory inArgentina. The influence of the description of theatmosphere on the reconstructed shower parameters, inthe SELFAS code, has been studied. It includes thegeometry of the atmospheric layers, the way to calculatethe air refractive index and density, as well as their dailyand seasonal fluctuations.

Depuis les fonds méditerranéens, les quelques 900 photomultiplicateurs du télescope à neutrinos ANTARES scrutent les abysses pour tenter de discerner, parmi la bioluminescence et la radioactivité marine, les photons Čerenkov émis par les muons issus de neutrinos astrophysiques, et de distinguer ces muons de ceux générés par les gerbes atmosphériques produites par les rayons cosmiques. ANTARES accumule des données depuis 2006 ; cette prouesse technique permet d'envisager un avenir favorable à l'astronomie neutrino sous-marine : ANTARES devrait être le précurseur d'un instrument de plus grande envergure, KM3NeT. Les performances d'un télescope sont caractérisées, entre autres, par sa résolution angulaire. Dans le cas d'ANTARES, celle-ci est directement liée à la résolution temporelle des éléments du détecteur. La correction de l'une des principales sources de dégradation de cette résolution temporelle, l'effet de walk créé par l'établissement d'un seuil fixe pour le filtrage du signal issu des photomultiplicateurs, est exposée dans ce manuscrit. Cette correction, mise en œuvre dans la chaîne logicielle officielle de la collaboration ANTARES, améliore notamment l'estimateur de qualité de la reconstruction des événements. L'implémentation présentée laisse le champ libre à certaines optimisations. L'auteur tente en outre d'évaluer, à partir d'une simulation Monte-Carlo complète, la possibilité d'utiliser des sources de photons de très haute énergie comme sources de muons calibrées afin d'estimer le pointé absolu et la résolution angulaire du télescope. Bien que la procédure soit intrinsèquement entachée de larges incertitudes, il est démontré que la possibilité de détecter de telles sources est extrêmement faible. Cette étude montre également que les photons de très haute énergie ne constituent pas une source notable de bruit de fond neutrino.

L'Observatoire Pierre Auger, actuellement en cours de construction en Argentine, étudie les rayons cosmiques dont l'énergie est supérieure à quelques EeV. L'expérience combine deux méthodes de détection des gerbes atmosphériques complémentaires: la mesure de la lumière de fluorescence et l'échantillonnage du profil latéral grâce à un réseau de détecteurs répartis au sol sur une surface d'environ 3000 kilomètres carrés. Les méthodes nécessaires au calcul de l'acceptance, dont la connaissance est cruciale pour établir le spectre d'énergie, ont été développées au cours du travail de thèse, et ont permis de déterminer de manière simple et robuste la surface effective de détection du réseau de surface de l'Observatoire Pierre Auger. L'efficacité de détection dépendant de la nature des rayons cosmiques, il est possible de caractériser leur composition grâce aux données du réseau de surface. Le calcul du spectre d'énergie des rayons cosmiques a été mené, en utilisant plusieurs méthodes pour estimer l'énergie des événements détectés. L'utilisation combinée des détecteurs de fluorescence avec le réseau de surface permet d'établir un étalonnage en énergie pratiquement indépendant des modèles d'interactions hadroniques. L'étude des anisotropies des directions d'arrivées des rayons cosmiques permet d'obtenir des informations précieuses sur leur origine et leur transport depuis leurs sources. Une nouvelle méthode d'analyse simple et efficace a été développée pour estimer les paramètres d'une anisotropie (dipôle et quadripôle) sous-jacente dans les données. Cette méthode est appliquée aux premières données de l'Observatoire Pierre Auger.

Conçu pour mieux comprendre l'origine des rayons cosmiques aux ultra-hautes énergies, l'Observatoire Pierre Auger a commencé une période de prise de données devant s'étendre sur 20 années. Il pourra ainsi obtenir une statistique suffisante aux plus hautes énergies, pour déterminer l'existence ou non de la coupure GZK. Utilisant simultanément deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, l'une au sol et l'autre par détection de la lumière de fluorescence, il devrait permettre de déterminer avec une précision sans précédent, aussi bien l'énergie de ces rayons cosmiques que leurs directions d'arrivée et leur nature. Apres une introduction sur les propriétés générales des rayons cosmiques, les modes de production aux plus hautes énergies sont présentes. Nous nous sommes ensuite attachés à un modèle particulier de production, considérant la désintégration de particules super massives reliques, le but étant de déterminer des contraintes sur les temps de vie de ces particules. Après avoir présenté les principes de détection des gerbes atmosphériques et l'Observatoire Pierre Auger, nous considérons la méthode hybride de détection : la mise en place d'une chaine de simulation et la realisation de tirs lasers hybrides ont permis de determiner les performances associées à ce type de détection ainsi que de vérifier la cohérence en temps des horloges des deux détecteurs, essentielle à la méthode utilisée. Enfin, les données de la phase de preproduction ont permis de vérifier les performances des différents types de reconstruction : par le détecteur de fluorescence seul, le detecteur au sol et par la méthode hybride. A partir de ces données, une première comparaison des énergies ainsi qu'une analyse des anisotropies ont été réalisées.

Après plus d'un siècle d'études, l'origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie reste mal comprise. En améliorant la connaissance de la composition des rayons cosmiques détectés sur Terre, il est possible de contraindre les modèles concernant leur origine, ainsi que leur mécanisme de production dans les sources astrophysiques. Les simulations montrent que le champ électrique émis par les gerbes est sensible à leur développement dans l'atmosphère. Ce champ électrique peut être mesuré avec un cycle utile élevé, faisant du signal radio une observable prometteuse pour identifier le rayon cosmique primaire. Le signal radio permet également de mesurer sa direction d'arrivée et son énergie. Depuis 2006, l'observatoire Pierre Auger accueille plusieurs réseaux de radio détection des rayons cosmiques. Des démonstrateurs équipés de quelques stations (RAuger,MAXIMA) ont permis une caractérisation efficace de l'environnement radio du site, ils ont également apporté des contraintes sur les mécanismes responsables de l'émission du champ électrique par les gerbes dans le domaine du MHz. Les prototypes ont mené à la construction d’AERA (Auger Engineering Radio Array) qui, avec 124 stations couvrant 6 km², est le premier réseau grande échelle de radio détection des gerbes dans le domaine du MHz. AERA est déployé dans l'extension basse énergie de l'observatoire afin de bénéficier d'une statistique plus importante. Le réseau permet d'intéressantes mesures hybrides ; son emplacement permet en effet de croiser les données obtenues par la radio avec celles provenant du réseau de surface (SD) et des télescopes à fluorescence (FD) proches du réseau. Cette thèse est dédiée à la caractérisation de signaux transitoires radio détectés par RAuger et AERA. Comme un des défis de la radio détection des gerbes atmosphériques est de supprimer les bruits de fond anthropiques causant des déclenchements accidentels, des méthodes de réjection du bruit de fond et de sélection des coïncidences SD-AERA ont été développées. Une étude de la corrélation entre le développement de la gerbe dans l'atmosphère (profil longitudinal) et le champ électrique mesuré par les stations radio est également présentée. Cette étude valide le lien direct entre le champ électrique et le développement de la gerbe dans l'atmosphère et confirme l’intérêt du signal radio pour l’estimation de la nature des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. / After more than a century of studies, one of the challenging questions related to ultra-high energy cosmic rays concerns their nature, which remains unclear. Improving the knowledge about the composition of cosmic rays will permit to constrain the models concerning their origins and the production mechanisms in the astrophysical sources. Simulations show that, the electric field emitted by the shower is sensitive to its development. This electric-field can be measured with a high duty cycle, and thus is apromising technique to identify an observable sensitive to the nature of the primary cosmic ray. The radio signal is also used to measure its arrival direction and its energy. Since 2006, the Pierre Auger Observatory hosts several radio detection arrays of cosmic rays, starting from small size prototypes (RAuger, MAXIMA) to achieve a large scale array of 124 radio stations: AERA, the Auger Engineering Radio Array covering 6 km². These different arrays allow the study of the radio emission during the development of the shower in the MHz domain. AERA is deployed in the low energy extension of the Pierre Auger Observatory in order to have a larger statistics. It enables interesting hybrid measurements, with the comparison of radio observable with those obtained with the surface detector (SD) and the fluorescence telescopes close to the array. This thesis is dedicated to the characterization of the radio transient signals detected by RAuger and AERA. As one of the challenges of the radio detection of air-shower is to remove the anthropic background causing accidental triggering, methods for background rejection and SD-AERA coincidences selection have been developed. A study of the correlation between the shower development in the atmosphere (longitudinal profile) and the electric-field measured by the radio stations is also presented. This study shows the relationship between the electric-field and the shower development in the atmosphere and confirms that the radio signal is a powerful tool to study the nature of the ultra-high energy cosmic rays.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ainsi que des coproduits comme les photons et les neutrinos, issus de sources de rayons cosmiques galactiques ou extragalactiques. Ils arrivent au sommet de l'atmosphère terrestre avec des énergies primaires allant jusqu'à quelques 10 EeV. Lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère, ils interagissent avec les molécules de l'air et produisent un grand nombre de particules secondaires, créant une gerbe atmosphérique (extensive air shower, EAS). Accompagné des particules secondaires, une émission de la lumière Cherenkov et de la lumière fluorescence est induite par le passage des particules dans l'atmosphère. L'Observatoire Pierre Auger et Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) sont des observatoires dédiés à la détection des gerbes atmosphériques dans le but de répondre aux questions ouvertes concernant les rayons cosmiques, mais se concentrant sur différentes gammes d'énergie, les plus hautes énergies et les énergies autour de quelques PeV. Après plus de 10 ans d'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger, la collaboration Auger a proposé une amélioration des détecteurs de son réseau de surface, appelée "AugerPrime". Le but est d'augmenter la sensibilité à la masse des particules primaires en ajoutant un détecteur scintillateur sur le détecteur Cherenkov à eau. Les deux observatoires sont dits «hybrides» car composés de télescopes optiques observant le développement longitudinal des gerbes et des réseaux de détecteurs de surface échantillonnant leurs profils latéraux. Dans cette thèse, une série d'études contribuant aux projets AugerPrime et LHAASO sont présentées. En ce qui concerne le projet AugerPrime, la présente étude comprend le travail de recherche & développement des scintillateurs et l'analyse de données du réseau de tester. Pour le projet LHAASO, des simulations de télescopes Cherenkov et une analyse multivariée des observations hybrides pour l'identification des masses primaires sont présentées. / Cosmic rays are charged particles, as well as coproducts like photons and neutrinos, originated in cosmic-ray sources inside or outside the Galaxy. They arrive at the top of the Earth's atmosphere with primary energies of up to a few 10 EeV. When the cosmic rays enter the atmosphere, they interact with the molecules in the air and produce a large number of secondary particles, creating an extensive air shower (EAS). The ground-based observation of the EAS can be used to deduce the energy, the arrival direction, and the mass composition of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory and the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) are both EAS observatories aiming at solving open questions of cosmic-ray studies but focusing on different energy ranges, the highest-energy and the so-called knee (around few PeV) regions. Based on the experience gained during the operation of the Pierre Auger Observatory for more than 10 years, the Auger collaboration has proposed an upgrade project, called ''AugerPrime'', with the aim of increasing the sensitivity of the surface detector array to the primary mass of cosmic rays. Both observatories employ the so-called ''hybrid detector arrays'' composed of optical telescopes overlooking the longitudinal development and ground detector arrays sampling the signal densities in the lateral direction of the EAS. The ground detector arrays of both observatories are being constructed or upgraded to have various types of particle detectors (scintillator and water-Cherenkov detectors), which allow us to decompose the electromagnetic and muonic components of the EAS. In this thesis, a series of studies contributing to the AugerPrime and LHAASO projects are presented. Concerning the AugerPrime project, the present study includes R&D work of the scintillator detector and data analysis of the engineering array. For the LHAASO project, simulations of the wide field of view Cherenkov telescope array and a multivariate analysis of LHAASO-hybrid observations for the primary mass identification are presented.

JEM-EUSO est un projet de télescope spatiale dédié à la détection des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHE) (d'énergie supérieure à 10/48 eV) par l'observation de l'émission de lumière ultra-violette produite par l'interaction entre li rayon cosmique et l'atmosphère terrestre. Dans le cadre de ma thèse, j'ai travaillé sur le premier démonstrateur du projet, EUSO-Balloon, une version réduite de l'instrument prévu pour JEM-EUSO portée par un ballon stratosphérique. J'ai participé à l'étalonnage de la surface focale du ballon, composée de 36 photo-multiplicateurs multi-anodes (MAPMT), ainsi qu'à l'intégration de l'électronique de lecture et l'assemblage et les tests de l'instrument complet. J'ai pris part à la campagne de vol qui s'est déroulée à Timmins, au Canada, pour un vol la nuit du 24 août 2014. Pendant le vol, l'instrument a pu observer le flux lumineux en ultra-violet émis et réfléchi par le sol, ainsi que des impulsions laser tirées à partir d'un hélicoptère volant sous l'instrument pendant une partie de la mission et simulant le signal émis par un RCUHE interagissant avec l'atmosphère terrestre. Après le succès du premier vol d'EUSO-Balloon, un second vol est prévu au printemps 2017. Ce vol est prévu pour durer plusieurs semaines, et a pour objectif principal l'observation de RCUHE. Pour préparer ce vol, et à la suite des retours de la première mission, j'ai participé à plusieurs campagnes de tests afin d'améliorer certains aspects technologiques de l'instrument. J'ai également mené des simulations afin d'estimer le nombre d'UHECR que l'instrument détectera pendant un vol de plusieurs semaines / JEM-EUSO is a future space UV telescope dedicated to the observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays( UHECR), through 'the detection of the UV light emitted by the interaction between the UHECR and the Earth atmosphere. The work done during my PhD was focused on EUSO-Balloon, a smaller scale balloon borne prototype of JEM-EUSO with a complete detection chain and Fresnel optics. During my PhD, I took part in the calibration of the focal surface, made up of 36 mufti-anode photomultipliers as well as the integration and full scale tests of the read-out electronics and the whole instrument. I took part of the flight campaign in Timmins, Canada with a flight on the 24`11 of August 2014. During the flight, the instrument was able to observe the UV light emitted and reflected by the ground as well as laser pulses shot from an helicopter flying under the balloon during the first part of the flight to simulate UHECR signal as seen from the instrument. After the success of the first flight of EUSO-Balloon, a second flight o a several weeks is planned for spring 2017, with the goal of observing real UHECR events from above. I took part of several test campaigns to improve the performances of the instrument for the second flight. Finally, I mn a serie of simulations to estimate the number of events the instrument should be able to detect during a several-week flight

Le spectre des rayons cosmiques semble se prolonger au-delà de la coupure GZK ; leur mode de production à ces énergies et leur propagation à travers l'espace ne sont pas bien compris. Malgré des flux extrêmement faibles, ces particules ultra énergétiques sont détectées sur Terre par des gerbes atmosphériques qui arrivent jusqu'au sol. Des simulations tentent de reproduire leur comportement en extrapolant les sections efficaces. L'Observatoire Pierre Auger détecte ces gerbes grâce à des télescopes de fluorescence et un réseau de cuves Cerenkov, qui couvriront finalement 3000 km2, nécessaires pour accumuler suffisamment de statistiques. Le système d'acquisition développé au LPNHE assure la communication avec le réseau et l'enregistrement des données. Un logiciel développé pendant la thèse permet la visualisation et la reconstruction des événements candidats. Les erreurs systématiques et aléatoires ont été identifiées et réduites dans tous les ajustements, afin que la détermination de la direction et de l'énergie du rayon cosmique primaire soit juste et précise. L'identification de la nature du primaire par l'âge de la gerbe améliore ces résultats.