L’objectif de cette thèse est d’améliorer la détermination de la masse des rayons cosmiques d’ultra haute énergie faite à l’Observatoire Pierre Auger. Aujourd’hui cette mesure est faite à travers l’utilisation de télescopes à fluorescence qui nécessitent des conditions de luminosité spéciales réduisantle cycle utile à environ 10%. Trois approches différentes sont proposées:La première approche est une nouvelle analyse. Les muons issus des gerbes horizontales sont déviés par le champ magnétique terrestre. Cette déviation modifie l’empreinte au sol des gerbes atmosphériques et est fonction de la longueur de parcours des muons. Un estimateur de Xμmax, leur point de productionmaximum, qui dépend de la masse du primaire peut être construit.La deuxième approche explore la détection du rayonnement radio émis par les gerbes atmosphériques, une technique similaire à la fluorescence mais sans limitation du cycle utile. La détection du rayonnement de Bremsstrahlung moléculaire est revue et explorée de différentes manières.La troisième approche propose un nouveau type de détecteur pour le réseau de surface, ces détecteurs ayant une réponse distincte aux différentes composantes des gerbes atmosphériques : électromagnétique et muonique. La mesure de la composante muonique est aussi un moyen d’accéder à la nature du primaire.La nouvelle analyse semble un outil prometteur qui peut s’appliquer à tout lot de données. La radio-détection en revanche n’apparaît pas comme une alternative compétitive face aux techniques traditionnelles. Le nouveau détecteur offre de belles perspectives et devrait être considéré pour l'équipementdes futurs observatoires. / The motivation of this PhD thesis is to improve the capabilities to determine the mass composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory. The measure of their mass composition is done with the fluorescence technique, that needs special luminosity conditions that reduce the exposure time to about 10% of the time. Three different approaches are proposed.The first approach is a new analysis. Muons in the horizontal showers are deviated by the magnetic field of the Earth. This deflection is related with different characteristics of the extensive air shower that allow the construction of an estimator to obtain an alternative measure of Xμmax, an observable sensitive to the mass of the primary.The second approach is to explore the detection of the radio emission produced in the extensive air showers, a technique similar to the fluorescente one, but without the limitations in the duty cycle. The detection of the Molecular Bremsstrahlung Radiation emission is revised and investigated from different points of view.The third approach is to propose a new surface detector that obtains different responses to the different components of the extensive air shower: electromagnetic and muonic. The access to the muonic component is another way to access to the composition of the primary particle.The new method of analysis proposed appears as a promising tool to be applied in any data set. The technique of the radio detection did not show clear indications of being an alternative to traditional techniques. The new detector represents a promising alternative to be considered in any future ultra-high energy cosmic rays experiment.

Les alliages nanocrystallines et les nanocomposites à base de magnesium sont des matériaux prometteurs pour le stockage d'hydrogène dans l'état solide, pour offrir une plus grande sécurité et efficaté de stockage que le H2 aux états gazeux ou liquide. Dans ce travail, la synthèse et l'élaboration de ces matériaux par les techniques de broyage à haute énergie (HEBM - High-energy Ball milling) et de déformation plastique sévère (SPD - Severe Plastic Deformation) ont été étudiés. Nanocomposites à base de MgH2 et de Mg2FeH6 ont été préparés par broyage réactif sous atmosphère d'hydrogène (une technique de HEBM) sous plusieurs conditions, pour obtenir une meilleure compréhension des effets des différents paramètres d'élaboration sur la synthèse des hydrures. De plus, l'utilisation des techniques de SPD de torsion sous haute pression (HPT - High-pressure Torsion) et extrusion en canal angulaire (ECAP - Equal Channel Angular Pressing) ont été explorés pour composer des routes d'élaboration de mélanges réactifs à base de Mg pour le stockage de H2. Les matériaux preparés par les différentes méthodes ont été caracterisés par des techniques d'analyse structurale comme, parmi d'autres, difraction de rayons-X, microscopie optique, microscopie electronique en transmission et à balayage. Le comportement pendant la désorption a été étudié par calorimetrie différentielle de balayage, et des échantillons séléctionnés on été soumis à cycles d'absorption et désorption de H2 pour mesures cinétiques. La corrélation des résultats pour les plusieurs systèmes à base de Mg a permis l'obténtion d'un meilleur contrôle de la synthèse des nanocomposites et une meilleure connaissance du potentiel d'utilisation des techniques de SPD pour composer des routes d'élaboration en envisageant les applications pour le stockage d'hydrogène.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie sont les messagers des phénomènes les plus cataclysmiques ayant lieu dans l'Univers. L'énergie portée par ces particules peut atteindre quelques dizaines de Joules et est dissipée dans l'atmosphère terrestre sous forme d'une avalanche de particules secondaires. Les questions portant sur leur origine et leur propagation sont toujours au coeur du débat car elles n'ont toujours pas de réponse définitive. CODALEMA est la pionnière des expériences modernes de détection indirecte des rayons cosmiques à travers l'émission radio des particules chargées de la gerbe. Cette recherche est motivée par la possibilité de caractériser entièrement le rayon cosmique primaire avec des antennes sensibles aux ondes électromagnétiques dans la bande décamétrique, et nettement moins coûteuses que les instruments disponibles actuellement. Ce manuscrit présente les résultats de 3 années consacrées à la mise en opération et l'analyse de données d'un réseau de stations autonomes, qui composent la dernière configuration de CODALEMA. L'étude du bruit de fond a révélé une sensibilité des stations face aux interférences radio d'origine humaine. Des méthodes de réjection de ce bruit ont été développées dans le but de les incorporer dans les prochains circuits électroniques de sélection de signaux transitoires. Les premières données ont montré que la mesure des deux polarisations horizontales du champ électrique est indispensable pour distinguer les mécanismes d'émission radio. De même, une nouvelle paramétrisation de la distribution latérale du champ électrique est discutée.

Diffusive shock acceleration operating at expanding supernova remnant shells is by far the most popular model for the origin of galactic cosmic rays. Despite the general consensus received by the model, an unambiguous and conclusive proof of the supernova remnant hypothesis is still missing. In this context, the recent developments in gamma ray astronomy provide us with precious insights into the problem of the origin of galactic cosmic rays, since production of gamma rays is expected both during the acceleration of cosmic rays at supernova remnant shocks and during their subsequent propagation in the interstellar medium. In particular, the recent detection of a number of supernova remnants at TeV energies nicely fits with the model, but it still does not constitute a conclusive proof of it, mainly due to the difficulty of disentangling the hadronic and leptonic contributions to the observed gamma ray emission. The main goal of my research is to search for an unambiguous and conclusive observational test for proving (or disproving) the idea that supernova remnants are the sources of galactic cosmic rays with energies up to (at least) the cosmic ray knee. Our present comprehension of the mechanisms of particle acceleration at shocks and of the propagation of cosmic rays in turbulent magnetic fields encourages beliefs that such a conclusive test might come from future observations of supernova remnants and of the Galaxy in the almost unexplored domain of multi-TeV gamma rays.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène.

L'objectif de cette thèse est la recherche des neutrinos cosmiques de haute énergie émis par des sources ponctuelles avec le télescope á neutrino ANTARES. La détection des neutrinos cosmiques de haute énergie peut apporter des réponses à des problèmes importants comme l'origine des rayons cosmiques et les procédures d'émission des rayons $\gamma$. Dans la première partie de la thèse, le flux des neutrinos émis par des sources galactiques et extragalactiques et le nombre des événements qui peut être détecté par ANTARES sont estimés. Cette étude utilise les spectres des rayons $\gamma$ des sources connues en tenant compte de l'absorption de ces rayons par la lumière extragalactique diffuse. Dans la deuxième partie de la thèse, le pointage absolu du télescope ANTARES est étudié. Étant situé à une profondeur de 2475 m dans l'eau de mer, l'orientation du détecteur est déterminée par un système de positionnement acoustique qui utilise des ondes de basse et haute fréquences entre la surface de la mer et le fond. La troisième partie de la thèse est la recherche des sources ponctuelles de neutrinos avec les données d'ANTARES. L'algorithme de recherche est basé sur une méthode de maximisation du rapport de vraisemblance. Il est utilisé dans deux stratégies de recherche; ''la stratégie de recherche avec des sources candidates'' et ''la stratégie de recherche dans tout le ciel''. L'analyse des données de 2007+2008 n'a pas marqué une découverte. Les meilleures limites supérieures au monde sur les flux de neutrinos provenant des différentes sources dans l'Hémisphère Sud sont établies.

L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est celui de la matière noire de l'Univers, qui reste de nature insaisissable. L'existence de la matière noire est inférée par des preuves indirectes telles que les mesures des courbes de rotation des galaxies, des dispersions de vitesse des galaxies dans les amas galactiques et les effets de lentille gravitationnelle. Ces observations fournissent des preuves sur l'existence d'une matière invisible dominant notre Univers. Il n'existe cependant aucune indication claire sur sa nature. Les observations actuelles en font le constituant dominant de l'Univers, par opposition à la matière baryonique "normale". Deux solutions sont proposées pour résoudre ce mystère. La première est basée sur une modification de la loi de la gravité comme dans la dynamique newtonienne modifiée qui pourrait expliquer les divergences entre prédictions et observations de la dynamique des masses dans l'Univers. L'autre idée consiste à proposer l'existence d'une nouvelle particule massive qui n'interagit pas avec la lumière (appelée WIMP pour "Weakly Interactive Massive Particle"), mais pouvant influencer la matière lumineuse par gravité. Plusieurs théories proposent l'existence de telles nouvelles particules. La plus célèbre de ces théories est la supersymétrie, qui est une extension du Modèle Standard de la Physique des Particules. Si l'un des partenaires supersymétriques des bosons neutres est une particule stable et le plus léger de tous les superpartenaires, il devient alors un candidat idéal pour la matière noire. La supersymétrie est en général le cadre le plus favorable pour l'existence de la matière noire.

Mes recherches ont eu pour but principal de trouver des signatures astrophysiques des trous noirs dans les systemes binaires d'étoiles. Comme je le montre dans ce mémoire, les astronomies X et γ semblent bien adaptées pour ces recherches. J'ai donc participé à la définition d'instruments X et γ, tout d'abord dans le cadre de la mission franco-russe Granat/Sigma puis dans celui de la mission de l'Agence Spatiale Européenne Integral. Mon rôle y a été de modéliser aussi précisément que possible la réponse des instruments, grâce à des simulations Monte-Carlo. Dans le cadre de la mission Integral, j'ai aussi contribué à définir et à réaliser les étalonnages au sol du satellite complet (étalonnage " end to end "), et à réaliser avec mon étudiant, Michaël Forot, le logiciel pour traiter les données dites " Compton " du télescope Integral/Ibis. Ces études nous ont permis, mon collègue Olivier Limousin et moi, de déposer un brevet sur une nouvelle γ-caméra permettant l'imagerie 3D de sources radioactives. Grâce aux données γ récoltées par Sigma et Integral, j'ai étudié, avec Marion Cadolle- Bel, les systèmes binaires contenant un trou noir de masse stellaire. Celui-ci accréte la matière de l'étoile compagnon donnant lieu à une émission X et γ, dont le processus d'émission, lié principalement à l'effet Compton sur les électrons chauds du plasma entourant le trou noir, est décrit dans le mémoire. Le résultat majeur de ce travail fut l'observation avec l'observatoire Integral du candidat trou noir, Cygnus X-1, en particulier lors d'un changement d'état en juin 2003 et lors de son éruption de septembre 2006. Enfin, j'ai modélisé la signature X/γ de trous noirs, comme il est décrit au chapitre 4. Cette modélisation s'est faite grâce à un modèle que j'ai développé avec Lev Titarchuk, modèle qui montre que le spectre observé de candidat trou noir peut être expliqué en considérant des photons X faisant un effet Compton inverse sur les électrons tombant en chute libre dans le trou noir. Ce modèle original, basé sur des simulations Monte-Carlo en Relativité Générale, a fait l'objet de plusieurs publications. Nous avons aussi étudié l'élargissement de la raie du fer, une autre signature très connue des trous noirs dans le domaine des X mous. Nous avons montré que cet élargissement pourrait être plutôt dû à la propagation des photons de fluorescence dans un vent, ce qui ne nécessiterait pas la présence d'un trou noir. Cet élargissement pourrait donc être une signature de trous noirs controversée. Dans les années à venir, je continuerai la définition de télescopes nouveaux, en particulier en optimisant les performances du projet d'astronomie spatiale Simbol-X. Ce projet prévoit, par le moyen de deux satellites en formation, d'étendre la technique de focalisation par incidence rasante aux rayons X durs afin d'étudier les phénomènes non thermiques de notre Univers. Je superviserai aussi la conception et la réalisation de l'anticoïncidence de Simbol-X, afin d'obtenir un bruit de fond sur les détecteurs aussi faible que possible. Notre expérience sur Simbol-X pourra aussi nous servir, de manière plus générale, de support aux développements de futures missions X et γ, comme par exemple l'observatoire IXO prévu par la NASA et l'ESA. Les futures observations Integral, d'un autre coté, me permettront d'observer les trous noirs accrétants au MeV, et potentiellement, grâce au mode Compton, de mesurer leur état de polarisation, ce qui n'a encore jamais été fait dans cette gamme d'énergie. Enfin, nous développons avec L. Titarchuk un modèle de création de paires électrons-positrons au voisinage d'un trou noir, qui aura de nombreuses conséquences observationnelles qu'il nous faudra étudier.

Lorsque l'impulsion longitudinale des partons contenus dans un hadron ultra-relativiste diminue, on observe un accroissement de leur densité. Quand la densité approche une valeur d'ordre $1/\alpha_s$, elle n'augmente plus, elle sature. Ces effets de haute densité semblent être correctement décrits par la théorie effective du "Color Glass Condensate". Du point de vue expérimental, le LHC est le meilleur outil jamais disponible pour atteindre la phase saturée de la matière hadronique. Pour cette raison, la physique de la saturation est une branche très active de la QCD dans les années passées et à venir car la théorie et les expériences peuvent être comparées. En premier lieu, je discute de la phénoménologie des collisions proton-plomb qui ont eu lieu à l'hiver 2013 et dont les données sont sur le point d'être disponibles. Je calcule la section efficace pour la production de deux gluons qui est l'observable la plus simple pour trouver des preuves quantitatives de la saturation dans le régime cinématique du LHC. Je traite également la limite des états finaux fortement corrélés à grandes impulsions transverses et, par la même occasion, généralise la distribution de partons au régime dense. Le second sujet principal est l'évolution quantique des spectres de gluons et de quarks dans les collisions noyau-noyau, ayant à l'esprit son caractère universel. Ce résultat est déjà connu pour les gluons et je détaille ici le calcul avec attention. Pour les quarks, l'universalité n'a toujours pas été prouvée mais je dérive une formule de récursion intermédiaire entre l'ordre dominant et l'ordre sous-dominant qui constitue une étape cruciale dans l'extraction de l'évolution quantique. Enfin, je présente brievement un travail indépendant de théorie des groupes. Je détaille une méthode personnelle permettant de calculer des traces impliquant un nombre arbritraire de générateurs, une situation souvent rencontrée dans les calculs de QCD.

L'identification des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10^18 eV) constituerait une avancée majeure aussi bien dans le domaine de l'astrophysique que dans celui de la physique des particules. La difficulté principale dans la recherche de telles sources réside dans la perte de l'information directionnelle des rayons cosmiques les moins énergétiques. En effet, leur direction est sujette à des déviations d'amplitude inversement proportionnelle à leur énergie à cause des champs magnétiques qu'il traversent lors de leur propagation jusqu'à la Terre. D'autre part, pour des énergies supérieures à 4x10^(19)eV, l'interaction des rayons cosmiques avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon de leurs sources à l'Univers proche (200 Mpc ou moins). Cette thèse a été effectuée au sein de l’observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques de haute énergie. Elle est dédiée à l'étude, la sélection, la reconstruction, ainsi qu'à l'analyse des évènements de plus haute énergie. D'autre part, les particules de plus bas numéro atomique sont plus susceptibles de garder leur direction mais la composition des rayons cosmiques est inconnue à de telles énergies. Une méthode de sélection des événements les plus similaires aux protons a été élaborée et développée dans cette thèse pour étudier la possibilité de leur utilisation pour une "astronomie protons" / Identifying the sources of the ultra-high energy cosmic rays (UHECRs, above 10^{18} eV), the most energetic particles known in the universe, would be an important leap forward for both the astrophysics and particle physics knowledge. However, developing a cosmic-ray astronomy is arduous because magnetic fields, that permeate our Galaxy and the extra-Galactic space, deflect cosmic rays that may lose the directional information on their sources. This problem can be reduced by studying the highest energy end of the cosmic ray spectrum. Indeed, magnetic field deflections are inversely proportional to the cosmic ray energy. Moreover, above 4x10^{19} eV, cosmic rays interact with cosmic photon backgrounds, losing energy. This means that the sources of the highest energy cosmic rays observed on Earth can be located only in the nearby universe (200 Mpc or less). The largest detector ever built for detecting cosmic rays at such high energies is the Pierre Auger Observatory, in Argentina. It combines a 3000 km^2 surface array of water Cherenkov detectors with fluorescence telescopes to measure extensive air showers initiated by the UHECRs. This thesis was developed inside the Auger Collaboration and was devoted to study the highest energy events observed by Auger, starting from the selection and reconstruction up to the analysis of their distribution in the sky. Moreover, since the composition at these energies is unknown, we developed a method to select proton-like events, since high Z cosmic rays are too much deflected by magnetic fields to be used for cosmic-ray astronomy.