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.

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.

Les amas-lentilles dans lesquels plusieurs systèmes d'images multiples de galaxies d'arrière-plan sont présents peuvent être utilisés pour contraindre les paramètres cosmologiques. En effet, la modélisation du potentiel gravitationnel de l'amas de galaxies est alors suffisamment précise pour pouvoir accéder à des contraintes sur les distances entre sources et images. Or ces distances dépendent directement de la géométrie de l'Univers, qui est fixée par les paramètres cosmologiques (c'est-à-dire la densité de matière de l'Univers, la constante cosmologique et plus généralement l'énergie noire). Cette méthode requiert des modèles paramétriques précis de potentiels gravitationnels. Un formalisme général de profils pseudo elliptiques a donc été développé, donnant les expressions analytiques des grandeurs utilisées dans le phénomène de lentille gravitationnelle. Une première approche a été effectuée avec une étude semi-analytique des erreurs, afin d'estimer les ordres de grandeur des précisions attendues, en fonction de contraintes observationnelles réalistes. Ce travail préliminaire s'est poursuivi par des simulations numériques de lentilles gravitationnelles typiques. Cette étape a permis de préciser la méthode d'optimisation du potentiel et la dégénérescence attendue entre les paramètres cosmologiques. Ce processus a ensuite été appliqué aux amas de galaxies A2218 et AC114. La géométrie de l'Univers qu'on en déduit rentre dans le cadre du paradigme actuel (issu principalement des contraintes données par l'étude des anisotropies du fond diffus cosmologique et celle des supernovae distantes de type Ia prises comme chandelles standard). Les dégénérescences obtenues peuvent être en partie brisées en combinant ces résultats avec ceux issus de tests cosmologiques indépendants. Enfin, le processus d'optimisation du potentiel permet en outre de donner une description fine de la distribution de masse de ces deux amas. Leur profil de densité centrale est en particulier plat. Le test cosmologique présenté dans cette thèse nécessite la connaissance précise du décalage spectral des sources de chaque système d'images. Un programme d'observations spectroscopiques d'arcs gravitationnels dans l'amas de galaxies A1689 -- qui est un excellent candidat pour le test proposé -- effectué sur le VLT a ainsi été conduit.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS.

Ce mémoire de thèse sera consacré à l'étude de quelques aspects phénoménologiques de la supersymétrie avec, comme principaux sujets, d'une part, la physique du MSSM dans le cas où les superparticules scalaires sont lourdes et les implications possibles auprès de collisionneurs à haute énergie tels que le LHC et, d'autre part, les caractéristiques des particules de matière noire et leurs détermination auprès des collisionneurs et dans des expériences d'astroparticules.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.

Le document présente la problématique de la détection directe de matière noire dans le cadre des expériences XENON100 et MIMAC. Après une introduction générale sur la matière noire et sur les signaux attendus dans un détecteur terrestre, les deux projets sont passés en revue en se concentrant sur les aspects expérimentaux. L'accent est mis particulièrement sur la caractérisation des performances des détecteurs et sur les bruits de fonds associés.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

AMS est un détecteur de particules qui sera embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale début 2008. Avec son trajectomètre en silicium et son calorimètre électromagnétique, il pourra détecter les photons entre 1 GeV et 300 GeV. <br />Dans la première partie de cette thèse, nous donnons les résultats obtenus lors de l'analyse des données d'un test sur faisceau du calorimètre électromagnétique. A l'aide d'un logiciel de simulation rapide, nous évaluons les capacités de détection d'AMS en gamma. Nous donnons des prédictions de flux pour différents types de sources astrophysiques et pour un halo de matière noire supersymétrique au centre galactique.<br />HETE-2 est un satellite actuellement en fonctionnement qui est conçu pour détecter et localiser les sursauts gamma. Du fait des énergies mises en jeu, ce type de source pourrait être utilisé pour tester des domaines de la physiques inaccessibles aux accélérateurs. <br />Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions les courbes de lumières de douze sursauts gamma observés par le détecteur FREGATE à bord d'HETE-2 et pour lesquels une mesure du redshift est disponible. En étudiant les écarts temporels entre des photons de différentes énergies, nous pouvons déterminer une limite inférieure sur l'échelle de gravitation quantique de Eqg > 10^15 GeV.

Ce document est constitué de deux parties et de deux annexes . Dans le chap. 1, je parle de la composante nucléaire du rayonnement cosmique galactique, des enjeux astrophysiques et ceux reliés à la matière noire. Le chap. 2 est consacré à l'étude des émissions gamma dues à l'annihilation de matière noire. Le fil conducteur est la recherche indirecte de matière noire, qui passe par la maîtrise du signal et des fonds astrophysiques. Chaque partie propose une introduction du sujet, un état des lieux, une compilation des résultats obtenus et quelques perspectives et directions de recherches à développer pour les années à venir. La conclusion générale revient sur le lien et la complémentarité des particules chargés et neutres et l'articulation de ces deux messagers pour de futures études hors de la Galaxie. L'annexe A présente quelques outils développés utilisés pour ces études et qui ont été rendus publics. L'annexe B, un peu plus personnelle, revient sur mon parcours, mon CV et le rôle que j'ai pu avoir dans l'encadrement d'étudiants de master et de thèse et dans l'animation scientifique.