Meter a lapse of about five years the experimental attack on the secrets of the otomio nucleus hau begun again. The num her of ocientistr3 now engaged in this work and the number of particle decelerators which exact or are under coaztruction are very much greater than at any other p rcviouo time. 1ý Since the gar there have emerged several new promising methods of accelerating particles to very high enargiea. In every case the size, expense and time of eonmtruction of the o, pnratu3 are very 1nrge. The machine which is most suitable for accelerating particles to the highest energies is the proton synchrotron. Until recently this development wes confined to the BirminChe. n University, whore a machine designed to' accelerate protons to 109 eV (and possibly deuterons and of -particles to "6x 109 aV and 109 eV reapoctinely) in v2cll under construction. It id with the theory and construction of such an accelerator that this thesis is mainly concerned (Chapters III, IV and V). While building ouch a complicated picco of apparatus it in bf course essential to appreciate its likely uses. Since the proton synchrotron will be capable of deliýrering pcrtiolea over a very viide ranee of energies (protons from 2 ý- 1,000 MoV) the possible experim©nta are likely to include nearly all thoac cihich can be performed with arty accelerator. Naturally attention will be confined largely to the very high energy region.

Les sursauts gamma se divisent entre sursauts courts, issus de la coalescence de deux objets compacts, et sursauts longs, issus de l'effondrement d'une étoile très massive de type Wolf-Rayet. Ce phénomène cataclysmique produit un jet ultra-relativiste. La dissipation de l'énergie au sein de ce jet est à l'origine d'une bouffée de photons gamma (keV-GeV) d'une durée moyenne de 10 s que l'on nomme émission prompte. Elle est suivie d'une phase d'émission rémanente détectable en X, en optique et en radio qui est visible de quelques secondes après le sursauts à quelques jours voir semaines et provient de la dissipation de l'énergie du jet dans le milieu environnant. Il s'agit des événements transitoires les plus lumineux que nous connaissons ce qui permet de les détecter jusqu'à des valeurs de décalage cosmologique (redshift) de l'ordre de 8-9. Cela permet l'exploration du diagramme de Hubble à grand redshift qui reste encore mal connu. Mais pour cela, il est nécessaire de standardiser ces sources astrophysiques afin de calibrer leur luminosité. Diverses relations, liant la luminosité des sursauts gamma à un paramètre indépendant de la cosmologie, ont été mises en évidence permettant de transformer les sursauts en " chandelles standards ". Au cours de cette thèse, nous avons étudié ces relations afin d'apporter un éclairage nouveau sur la façon dont elles sont affectées par divers effets de sélection instrumentaux. Les relations spectrales lient la luminosité isotropique ou l'énergie isotropique à l'énergie du maximum spectral de l'émission prompte. Nous avons montré que la combinaison de deux effets de sélection (détection puis mesure du redshift) permettait d'expliquer les contradictions entre les études reposant sur les sursauts avec redshift et celles incluant les sursauts sans redshift. Cela a conduit à la mise en évidence d'un lien entre l'émission prompte en gamma et l'émission rémanente en optique. Nous nous sommes également intéressé à l'une des relations temporelles, celle reliant Liso au délai spectral. Ce paramètre correspond à la différence entre le temps d'arrivée des photons de hautes et de basses énergies. Après avoir développé notre propre méthode de calcul de cette quantité, nous avons obtenu des résultats intéressants sur les distributions de ce paramètre et son lien avec l'évolution spectrale au sein des sursauts gamma. Nous avons également mis en évidence l'existence d'effets de sélection impactant cette relation et compromettant son usage pour la cosmologie. Plus généralement, cette thèse a permis de mettre en évidence la complexité de la standardisation des sursauts gamma qui ne peut être faites de manière aussi simple que celle utilisée jusqu'à présent. Nous avons montré qu'une étude détaillée des effets de sélection qui affectent ces relations de standardisation est un préalable indispensable avant toute utilisation de ces dernières à des fins cosmologiques. / GRBs are divided between short bursts, resulting from the coalescence of two compact objects, and long bursts, resulting from the collapse of a very massive star (Wolf-Rayet type). This cataclysmic phenomenon produces an ultra-relativistic jet. Energy dissipation in this jet produces flashes of gamma photons (keV-GeV) with an average duration of 10 seconds which is called prompt emission. It is followed by a detectable afterglow phase in X, optical and radio band which is visible from a few seconds after the bursts to several days or weeks and results from the dissipation of the energy contained in the jet into the surrounding medium. They are the most luminous transient events that we know, which can be detected up to redshifts of about 8-9. Being so bright, GRBs may allow the exploration of the Hubble diagram at high redshift, which is still poorly understood. To do this, it is however necessary to standardize these astrophysical sources and calibrate their brightness. Various relationships linking the intrinsic luminosity of GRBs with a parameter independent from cosmology have been highlighted allowing GRBs standardization. To achieve this goal, it is necessary to assess whether the observed correlations represent an intrinsic property of GRBs. In this thesis, we study selection effects to understand their impact on several relations which have been used to standardize GRBs. Spectral relationships connect the isotropic brightness or isotropic energy, and the peak energy of the prompt emission. We show that a combination of two selection effects, respectively associated with the GRB detection and the measure of their redshift, explains the contradiction between studies based on GRBs with a redshift and studies based on larger samples of GRBs without a redshift. Our study led us to discover a link between the prompt gamma emission and the optical afterglow that is a first step to understand the link between these two phases of the gamma-ray burst emission. Among the second category of relations, we focused on the relation between the luminosity and the spectral lag of the prompt emission. This parameter corresponds to the difference between the times of arrival of GRB photons at high and low energies. We developed our own method for the measure of the spectral lag, which led us to discuss the distribution of this parameter and its relationship to the spectral evolution within GRBs. We also confirmed the existence of selection effect affecting this relationship and compromising its use for cosmology. This thesis highlights the strong impact of observational selection effects on the relations which have been proposed for GRB standardization. We conclude that the study of selection effects is essential to understand if the relations proposed for the standardization of GRBs are intrinsic or due to selection effects, and if they can be used for cosmological purposes.

High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated.