La supersymétrie est une extension possible du modèle standard. Il faut en maîtriser autant les aspects formels que la phénoménologie caractéristique pour espérer découvrir si c'est une symétrie choisie par la nature. La supersymétrie offre un candidat privilégié pour la matière noire : le neutralino le plus léger , un des enjeux actuels est de comprendre au mieux les spectres d'annihilation de neutralinos produisant des particules détectables. Ainsi, le canal Zh est important de par la nature dure de son spectre. Cependant, la section efficace d'annihilation de neutralinos dans ce canal est supprimée quand la supersymétrie est brisée. L'annulation de ce canal est alors à chercher dans des phénomènes connus pour le MS : indépendance de jauge et unitarité UV de la théorie. En outre, la suppression est liée au caractère Majorana des neutralinos , mais aussi à la limite d'annihilation au repos, qui confère une polarisation au boson Z. Le même phénomène de polarisation est mis en évidence pour l'annihilation en WW. Néanmoins, la polarisation des W ne supprime pas le canal mais modifie la forme des spectres de ses produits de désintégration qui pourraient être détectés.<br />D'un point de vue plus formel, les différentes représentations sur le super-espace du multiplet (0,1/2) sont passées en revue. Nous nous concentrons sur deux représentations spécifiques, le multiplet de 3-forme et le multiplet X. Le premier nous permet de réaliser un mécanisme de brisure de supersymétrie de type O'Raifeartaigh, sans singlet dans le superpotentiel. Le second multiplet contient les propriétés d'une brisure de supersymétrie. Nous mettons en évidence une relation de dualité entre ces deux représentations.

L'expérience EDELWEISS recherche une des principales composantes de la matière noire, sous la forme de particules appelées WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles). Cette particule, dont la supersymétrie donne un candidat théorique naturel, le neutralino, pourrait constituer une grande fraction de la masse de l'Univers. Les WIMPs sont supposés être présents sous la forme d'un halo sphérique entourant les galaxies.La méthode de la détection directe des WIMPs présents dans le halo de notre galaxie repose sur la mise en évidence de leur interaction avec un noyau cible. L'expérience EDELWEISS utilise cette technique avec des détecteurs cryogéniques à double composante. La détection d'une particule se fait par la mesure simultanée des charges et des phonons créés lors de son interaction avec un noyau. Cette double détection permet de discriminer les reculs électroniques dus en majorité à des gammas, des reculs nucléaires dus à des neutrons ou des WIMPs. Ce travail de thèse effectué dans le cadre de la collaboration EDELWEISS présente l'analyse des données de la première phase de l'expérience. Nous détaillerons en particulier les résultats obtenus durant la dernière campagne de données qui a vu fonctionner simultanément trois détecteurs de 320 grammes.Nous présenterons une comparaison entre une simulation et des données expérimentales d'un étalonnage de la réponse aux reculs nucléaires à l'aide d'une source émettrice de neutrons. La limite supérieure sur le taux d'événements WIMP est déterminée avec une méthode tenant compte de la forme du signal attendu sans toutefois faire d'hypothèse quant à la présence ou la forme d'un éventuel bruit de fond. Ceci nous a permis de déduire une limite supérieure sur la section efficace d'interaction d'un WIMP avec un nucléon en fonction de la masse du WIMP.

En 1970, des vols ballons ont mis en évidence une structure dans le spectre d'émission gamma de la région du centre Galactique. Située vers 511 keV, cette signature spectrale a rapidement été associée à la raie traçant l'annihilation d'électrons avec leurs anti-particules, les positons.<br />Cependant, les multiples scénarios astrophysiques envisagés pour expliquer l'injection de positons dans le bulbe Galactique n'ont pas permis de reproduire le taux élevé déduit du fux de la raie à 511 keV, de l'ordre de dix puissance quarante-trois par seconde.<br />Lancé fin 2002, le satellite gamma européen INTEGRAL est doté d'un spectromètre, SPI, présentant des capacités d'imagerie et une résolution spectrale à 511 keV sans précédent, qui en font l'instrument adéquat pour affiner notre connaissance de la morphologie spatiale et du spectre de la source de cette émission d'annihilation, afin de distinguer le scénario le plus probable. En effet, la détermination de l'étendue de la source, de la largeur de la raie et de la fraction des positons s'annihilant en vol ou après thermalisation, directement ou via la formation d'atomes de Positronium nous renseignent à la fois sur le milieu dans lequel a lieu l'annihilation finale et sur la source initiale des positons.<br />La première partie de cette thèse a permis de déterminer les méthodes optimales de modélisation du bruit de fond instrumental du spectromètre Spi indispensables à l'analyse des observations de la raie à 511 keV. Des procédures de nettoyage des données et de sélection des indicateurs du bruit de fond ont été mises en ÷uvre. Des modèles utilisant des techniques neuronales ont été élaborés et comparés à des méthodes statistiques plus classiques afin d'évaluer<br />la possibilité de prendre en compte les non-linéarités du bruit et les effets liés à l'activité solaire. Au terme de cette étude, un modèle spatial a été ajusté aux données correspondant à trois années d'observation par INTEGRAL de la raie à 511 keV et un spectre d'annihilation a été extrait.<br />La seconde partie de cette thèse est consacrée à l'un des scénarios qui pourraient expliquer le taux d'injection de positons observé dans le bulbe Galactique : l'annihilation de particules de matière noire légères en paires électron-positon. Les diverses composantes radiatives liées à ce phénomène ont été modélisées et confrontées aux observations gamma passées, afin d'en déduire une limite supérieure sur l'énergie d'injection des positons - et donc sur la masse de la particule de matière noire légère - qui varie entre 3 et 7,5 MeV selon l'ionisation du milieu interstellaire.

Les modèles semi-analytiques (SAMs) constituent aujourd'hui le meilleur outils d'analyse et d'étude pour la formation et l'évolution des galaxies individuels mais également des regroupements de galaxies appelés amas. Alors qu'ils reproduisent avec succès les fonctions de masse stellaire, de corrélation à deux points, de luminosité des galaxies locales (z=0), ils échouent dans les prédictions des propriétés des galaxies plus jeunes, à plus haut décalage vers le rouge. Et ce d'autant plus que la masse stellaire est faible. Ces inconsistances entre les modèles et les observations démontrent que l'histoire de l'assemblage des ces galaxies, en relation avec l'accrétion de gaz, la formation stellaire et leurs halos de matière noire n'est pas bien comprise. Dans cette thèse, nous introduisons une nouvelle version du modèle semi-analytique GalICS et nous l'utilisons pour explorer l'impact, sur la formation stellaire des galaxies à faible masse, de la rétroaction des supernovae et des trous noirs supermassifs ainsi que des processus de photo-ionisation. Ces deux mécanismes sont communément utilisés pour réduire la formation de nouvelles étoiles dans les galaxies peu massives. Nous montrons que, même appliqué avec de très fortes efficacités, ces deux processus ne peuvent pas expliquer simultanément les fonctions de masse, de luminosité et la relation entre masse stellaire et masse des halos de matière noire pour les galaxies évoluant à grand décalage spectral. Suite à ce constat, nous introduisons deux recettes ad-hoc pour la formation stellaire. Dans un premier temps nous appliquons une forte modification de l'efficacité de formation stellaire en relation directe avec la masse de matière noire de leur halo hôte. Cette première approche conduit à de bons résultats, en particulier dans le régime des faibles masses stellaires mais il présente, par construction un profond désaccord avec la loi de formation stellaire observées par Kennicutt. Pour cela, nous introduisons une seconde modification, plus profonde, basée sur l'existence d'une composante de gaz, évoluant en périphérie des premiers disques galactiques, mais ne pouvant pas, pour des raisons encore mal comprises, former de nouvelles générations d'étoiles. Progressivement, ce gaz impropre à la formation stellaire est convertit, il alimente alors la formation d'étoile. L'introduction de ce nouveau réservoir, introduit un délai entre le moment ou le gaz s'effondre au centre du halo et le moment ou ce gaz. Ce nouveau modèle donne de très bons résultats mais il pose la question de l'origine de ce gaz impropre à la formation stellaire. Nous abordons dans cette thèse quelques piste de recherche dans le cadre de la formation des grandes structures peuplant notre Univers.

Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K.

Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le plus étudié des modèles de Nouvelle Physique, contient un candidat à la matière noire : le neutralino. Un des mécanismes qui permet de réduire la densité relique de neutralino jusqu'à l'intervalle expérimental de WMAP et de Planck est la coannihilation entre le neutralino et le stop. Dans cette thèse nous étudions deux aspects différents liés à la prédiction de la densité relique dans la région de coannihilation neutralino-stop, ainsi qu'au calcul des sections efficaces d'annihilation et de coannihilation correspondantes. Nous présentons tout d'abord la matière noire en tant que WIMP ainsi que le Modèle Standard de la Physique des Particules, puis nous abordons le MSSM ainsi la phénoménologie de la densité relique de neutralino. Nous étudions ensuite la phénoménologie de la violation de saveur non minimale dans le secteur des squarks dans le contexte de la densité relique de neutralino. Nous considérons des termes violant la saveur dans le secteur des squarks up et down de chiralité droite et de troisième génération et montrons qu'ils peuvent avoir un impact important sur les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation du neutralino, et en conséquence sur la densité relique. Finalement, nous nous intéressons à la possibilité d'améliorer la précision avec laquelle la densité relique est prédite, en calculant les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation à l'ordre supérieur dans la théorie des perturbation. En se basant sur des travaux antérieurs qui ont montré que l'impact des corrections SUSY-QCD à une boucle pour l'annihilation de neutralino était supérieur à l'incertitude expérimentale, nous avons calculé de telles corrections dans le cas de la coannihilaiton neutralino-stop en bosons de jauge électrofaibles et bosons de Higgs.

Le Modèle Standard de la physique des particules a été renforcé par la récente découverte du très attendu boson de Higgs. Le modèle standard cosmologique a lui relevé le défi de la haute précision des observations cosmologiques et des expériences d'astroparticules. Toutefois, ces deux modèles standards sont encore confrontés à plusieurs problèmes théoriques, comme le problème de naturalité dans le secteur de Higgs du Modèle Standard, ainsi que des problèmes observationnels à l'image des nombreuses preuves de l'existence d'un genre inconnu de matière, appelé Matière Noire, qui représenterait la majeure partie du contenu en matière de l'Univers. Les tentatives visant à résoudre ces problèmes ont conduit au développement de nouveaux modèles physiques au cours des dernières décennies. La Supersymétrie est un de ces modèles qui traite du problème du réglage fin dans le secteur de Higgs et fournit de bons candidats à la Matière Noire. Les expériences actuelles de physique des hautes énergies et de haute précision offrent de nombreuses possibilités pour contraindre les modèles supersymétriques. C'est dans ce contexte que cette thèse s'inscrit. En considérant le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), l'extension supersymétrique la plus simple du Modèle Standard, et son candidat à la Matière Noire, le neutralino, il est montré que les contraintes obtenues en collisionneur pourraient fournir des informations sur une période de l'Univers jeune, l'ère inflationnaire. Il est également démontré que la Détection Indirecte de Matière Noire, en dépit de plusieurs inconvénients, peut se révéler être une technique efficace pour explorer les modèles de Matière Noire supersymétrique. Au-delà du MSSM il est montré que des caractéristiques uniques du candidat à la Matière Noire dans le NMSSM peuvent être explorées aux collisionneurs. L'étude d'un modèle supersymétrique avec une symétrie de jauge étendue, le UMSSM, est également développée. Les caractéristiques d'un autre candidat de la matière noire de ce modèle, le sneutrino droit, sont analysées. Des contraintes plus générales telles que celles provenant d'observables de basse énergie sont finalement prise en compte.

De nombreuses observations astrophysiques indiquent l'existence de grandes quantités de masse manquante dans l'Univers, et ce de l'échelle galactique à l'échelle cosmologique. Découvrir la nature de cette masse invisible constitue le problème de la matière noire, qui apparaît comme l'un des enjeux majeurs de la physique moderne. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la détection indirecte de matière noire. Cette dernière serait composée de nouvelles particules élémentaires, dont les produits d'annihilation pourraient être observés dans le rayonnement cosmique. Nous étudions dans ce travail deux des canaux de recherche les plus prometteurs : les photons gamma et les anti-noyaux.Les objets astrophysiques permettant de placer les meilleures contraintes actuelles en rayons gamma sont les galaxies naines sphéroïdes (dSphs) de la Voie Lactée. La première partie de notre travail a été consacrée à contraindre les facteurs J d'annihilation de ces objets, qui quantifient l'amplitude des flux gamma attendus. Nous avons pour cela mis au point une configuration optimisée d'analyse de Jeans, pour reconstruire les profils de densité de matière noire et leurs incertitudes à l'aide des données cinématiques stellaires. Notre configuration a été obtenue à l'aide de tests systématiques sur de très nombreuses dSphs simulées, et nous l'avons appliquée à vingt-trois dSphs de la Voie Lactée. La seconde partie de notre travail a consisté à mener une recherche de noyaux d'anti-hélium dans les données collectées par l'expérience AMS-02 sur la Station Spatiale Internationale. Nous avons pour cela mis au point une classification par arbres de décision boostés, et notre analyse préliminaire a permis d'obtenir les meilleures contraintes actuelles sur les rapports anti-hélium sur hélium. / Many astrophysical observations suggest the existence of large amounts of missing mass in the Universe, from the galactic to the cosmological scale. Discovering the nature of this invisible mass forms the dark matter problem, which appears as one of the major challenges of modern physics. This thesis is established in the context of indirect detection of dark matter. The latter could consist of new elementary particles, whose annihilation products may be observed in cosmic rays. We study in this work two of the most promising research channels!: gamma-rays and anti-nuclei.The best constraints on dark matter properties from gamma-ray observations come from the dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Milky Way. The first part of our work was devoted to computing the annihilation J-factors of these objects, which quantify the magnitude of the expected gamma-ray flux. We have developed an optimized Jeans analysis setup in order to reconstruct the dark matter density profiles of these objects and their associated uncertainties, using stellar kinematic data. Our optimized setup was obtained using systematic tests on numerous simulated dSphs, and we applied it to twenty-three dSphs of the Milky Way. The second part of our work was dedicated to the search for anti-helium nuclei in the cosmic ray data collected by the AMS-02 experiment on the International Space Station. We have developed a classification method using boosted decision trees, and our preliminary analysis has led to the best constraints to date on the anti-helium to helium ratio.

AMS-02 est un spectromètre magnétique conçu pour la détection du rayonnement cosmique chargé et des photons gamma. La mesure en 2013 de la fraction de positons par AMS-02 a confirmé la présence d'une composante de positons primaires, nécessitant l'existence d'une source de positons dans notre Galaxie. Cette thèse s'est exclusivement consacrée à l'étude de ce phénomène, et à la recherche de cette source de positons. La fraction de positons, le flux de positons et le flux d'électrons sont mesurés à l'aide d'une méthode de fit multidimensionnel mis au point lors de cette thèse. Une étude particulière est réservé au phénomène de confusion de charge, important pour la mesure du signe de la charge à haute énergie. La fonction de réponse instrumentale du détecteur est évaluée à l'aide de simulations Monte Carlo et est corrigée par les données réelles du détecteur. Un travail phénoménologique est effectué afin d'interpréter les résultats mesurés. L'interprétation de ces résultats en termes de composante primaire issues d'un pulsar local et du halo galactique de matière noire est effectué. Les implications et l'espace des paramètres autorisé pour chacun des modèles est explicité. Une ré-évaluation des secondaires à l'aide des nouvelles données d'AMS-02, ainsi que l'étude de l'impact de l'erreur expérimentale d'AMS-02 sur ces résultats, est exécuté. / AMS-02 is a magnetic spectrometer design for the cosmic ray and gamma ray detection. The measurement in 2013 of the positron fraction by AMS-02 confirmed the presence of a primary positron component, which means the existence of a galactic primary source of positrons. This thesis is devoted exclusively to the study of this phenomenon. The positron fraction, the positron flux, and the electron flux are measured using a method of multidimensional fit developed during this thesis. The charge confusion phenomenon, which is important at the highest energies, is investigated. The instrumental response function of the detector is evaluated using Monte Carlo simulations and is corrected using the ISS data. A phenomenological work is done to interpret the measured results. The interpretation of these results in terms of primary component from a local pulsar and dark matter halo is done. The implications and the parameter space allowed for each model is detailed. A reevaluation of secondaries with the new AMS-02 data, and the study of the impact of the experimental error of AMS-02 on these results is performed.

Le Modèle Standard de la physique des particules a été renforcé par la récente découverte du très attendu boson de Higgs. Le modèle standard cosmologique a lui relevé le défi de la haute précision des observations cosmologiques et des expériences d'astroparticules. Toutefois, ces deux modèles standards sont encore confrontés à plusieurs problèmes théoriques, comme le problème de naturalité dans le secteur de Higgs du Modèle Standard, ainsi que des problèmes observationnels à l'image des nombreuses preuves de l'existence d'un genre inconnu de matière, appelé Matière Noire, qui représenterait la majeure partie du contenu en matière de l'Univers. Les tentatives visant à résoudre ces problèmes ont conduit au développement de nouveaux modèles physiques au cours des dernières décennies. La supersymétrie est un de ces modèles qui traite du problème du réglage fin dans le secteur de Higgs et fournit de bons candidats à la Matière Noire. Les expériences actuelles de physique des hautes énergies et de haute précision offrent de nombreuses possibilités pour contraindre les modèles supersymétriques. C'est dans ce contexte que cette thèse s'inscrit. En considérant le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), l'extension supersymétrique la plus simple du Modèle Standard, et son candidat à la Matière Noire, le neutralino, il est montré que les contraintes obtenues en collisionneur pourraient fournir des informations sur une période de l'Univers jeune, l'ère inflationnaire. Il est également démontré que la Détection Indirecte de Matière Noire, en dépit de plusieurs inconvénients, peut se révéler être une technique efficace pour explorer les modèles de Matière Noire supersymétrique. Au-delà du MSSM il est montré que des caractéristiques uniques du candidat à la Matière Noire dans le NMSSM peuvent être explorées aux collisionneurs. L'étude d'un modèle supersymétrique avec une symétrie de jauge étendue, le UMSSM, est également développée. Les caractéristiques d'un autre candidat de la matière noire de ce modèle, le sneutrino droit, sont analysées. Des contraintes plus générales telles que celles provenant d'observables de basse énergie sont finalement prise en compte. / The Standard Model of particle physics has been strengthened by the recent discovery of the long-awaited Higgs boson. The standard cosmological model has met the challenge of the high precision observations in comology and astroparticle physics. However these two standard models face both several theoretical issues, such as the naturalness problem in the Higgs sector of the Standard Model, as well as observational issues, in particular the fact that an unknown kind of matter called Dark Matter accounts for the majority of the matter content in our Universe. Attempts to solve such problems have led to the development of New Physics models during the last decades. Supersymmetry is one such model which addresses the fine-tuning problem in the Higgs sector and provides viable Dark Matter candidates. Current high energy and high precision experiments give many new opportunities to probe the supersymmetric models. It is in this context that this thesis is written. Considering the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the simplest supersymmetric extension of the Standard Model of particle physics, and its conventional Dark Matter candidate, the neutralino, it is shown that collider constraints could provide informations on the very early Universe at the inflation area. It is also demonstrated that the Indirect Detection of Dark Matter, despite several drawbacks, can be a powerful technique to probe supersymmetric Dark Matter models. Beyond the MSSM it is shown that unique characteristics of the Dark Matter candidate in the NMSSM could be probed at colliders. The study of a supersymmetric model with an extended gauge symmetry, the UMSSM, is also developed. The features of another Dark Matter candidate of this model, the Right-Handed sneutrino, are analysed. More general constraints such as those coming from low energy observables are finally considered in this model.