L'expérience EDELWEISS a pour but de détecter des WIMPs, particules massives faiblement interactives, qui pourraient composer la matière noire de l'univers. Elle mesure l'énergie libérée lors de la collision élastique d'un WIMP sur un noyau de matière ordinaire. Du fait de sa très faible section efficace d'interaction, qui conduit à un taux d'évènement extrêmement bas (< 1 evt/kg/an), et du fait du faible dépôt d'énergie (< 100 keV), le signal de recul nucléaire des WIMPs peut être imité par des neutrons de la radioactivité ambiante ou induits par des muons. Cette thèse est dédiée à l'étude du bruit de fond induit par les muons. Les performances du véto muon de l'expérience EDELWEISS-II sont présentées et la détection des muons et de leur gerbes discutés. Les premières coïncidences entre le véto muon et les bolomètres ont été réalisées sur deux prises de données de 4 mois de 2007 et 2008 et conduisent à un résultat de 0.043±0.015 coinc/kg/j pour une énergie de recul de ER<250 keV.

La présente thèse traite des propriétés de la Matière Noire (MN), en particulier dans le contexte du Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM). En premier lieu, est examinée la question de savoir si un neutralino dans le NMSSM pourrait expliquer un excès de photon monochromatique possiblement présent dans les données Fermi-LAT. Il est montré qu’un neutralino, associé à l’anéantissement d’une particule Higgs CP-impair échangée dans le canal s, peut, en principe, donner lieu à une section efficace suffisamment grande. Sont également étudiés les modèles asymétriques de matière noire aux fins d’expliquer la MN actuelle et la densité de baryons. Les limites supérieures de l’auto- anéantissement de la section efficace, qui peuvent potentiellement détruire la MN asymétrique, sont dérivées et appliquées à une variété de modèles. Enfin, est proposé un modèle supersymétrique qui prévoit des sneutrinos en tant que MN asymétrique viable et qui explique les petites valeurs de la masse des neutrinos. Sont ainsi étudiées des limites à ce modèle à partir de la physique des particules, de la cosmologie et des observations de la MN. / This thesis deals with Dark Matter (DM) properties, mainly in the context of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM). First, it is examined whether a neutralino in the NMSSM could explain a monochromatic photon excess possibly present in the Fermi-LAT data. It is shown that neutralino pair annihilation with a CP-odd Higgs exchanged in s-channel can, in principle, give rise to a sufficiently large cross section. Asymmetric dark matter models, aiming at the explanation of the coincidence of present-day DM and baryon abundances, are also discussed. Upper bounds on DM self-annihilation cross section, which can potentially destroy the DM asymmetry, are derived and applied to a variety of models. Finally, a supersymmetric model is proposed, providing sneutrinos as viable asymmetric DM and explaining the smallness of neutrino masses. Bounds on this model from particle physics, cosmology and DM searches are studied.

Identifier la nature de la matière sombre est l'un des plus grands problèmes de la physique contemporaine. Si la matière sombre est constituée de particules, on peut espérer la détecter, directement ou indirectement, grâce à des expériences terrestres ou spatiales. Prédire les résultats de ces expériences, ou les interpréter en cas de détection, nécessite une compréhension profonde de la structuration de la matière sombre dans notre Galaxie. En partant de considérations issues de la physique des particules et de la cosmologie, je construits un modèle du halo de matière sombre Galactique contraint dynamiquement qui incorpore une description détaillée des ses inhomogénéités. L'impact des ces inhomogénéités sur les recherches utilisant le rayonnement cosmique est ensuite analysé en détails. J'étudie également une méthode permettant de prédire la distribution dans l'espace des phases des particules de matière sombre, et discute sa possible application aux recherches de matière sombre. Cet outil est ensuite appliqué aux recherches utilisant les électrons et positrons cosmiques, et de nouvelles contraintes très fortes sont obtenues sur les modèles microscopiques de matière sombre. / Understanding the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics. If dark matter is made of particles, we can hope to detect it, directly or indirectly, using Earth-based or spatial experiments. Make predictions for the outcome of these experiments, or interpret the results in case of a detection, requires a deep understanding of the structuring of dark matter in our Galaxy. Starting from particle physics and cosmological considerations, I built a dynamically constrained model of the Galactic dark halo including a detailed description of its inhomogeneities. The impact of these inhomogeneities on searches with cosmic rays is then analysed in details. I also study a method allowing to predict the phase-space distribution of dark matter particles, and discuss its possible application to dark matter searches. This method is then applied to searches with cosmic-ray electrons and positrons, and new very stringent constraints are obtained on microscopic models of dark matter.

Neutrino oscillations, the baryon asymmetry and dark matter are important evidences of new physics beyond the Standard Model. Neutrino oscillations imply neutrino masses and a lepton mixing matrix that can contribute to flavour violating processes and CP violation at low energies, accessible to next experiments, and to the CP violation necessary for baryogenesis. Among the most interesting implications, is flavour violation in the lepton sector, but it has only been observed in neutrino oscillations. By analogy with quarks, it is then possible to deduce a principle of minimal flavour violation for leptons. Since such formulation is not straightforward in the lepton sector, we discuss dierent possibilities. Then we propose a definition which could be applied to various models and could help us in selecting between the possible neutrino mass generating mechanisms. Furthermore, if the seesaw mechanism describes neutrino masses, we can have a natural explanation to the baryon asymmetry of the universe with leptogenesis. In the context of leptogenesis including flavour effects, we demonstrate that the baryon asymmetry of the universe is insensitive to the low energy CP violating phases. This study is performed in the minimal extension of the Standard Model, with the introduction of 3 right-handed neutrinos and type-1 seesaw, only, and it is extended, in a following study, to the supersymmetric case. Since the seesaw parameter space is quite large, the numerical study is developed with the Markov Chain Monte Carlo method. In relation to dark matter, we study a scenario with very weakly coupled candidates and their production through the decay of a charged long-lived scalar particle. We compute the scalar particle number density, evaluating its gauge interactions, and compare it with Big-Bang Nucleosynthesis bounds. Then, we apply our results to the Minimal Supersymmetric Standard Model scenario with axino or gravitino as Lightest Supersymmetric Particle and stau or stop as Next to Lightest Supersymmetric Particle.

pas de résumé

La dynamique des systèmes gravitationnels s'appuie traditionnellement sur la physique de Newton. Appliquée à l'échelle des galaxies, la gravitation newtonienne impose l'existence d'une certaine matière, actuellement invisible : la matière noire. Si ce modèle ($\Lambda$ Cold Dark Matter) rencontre des succès à grande échelle, des difficultés apparaissent à l'échelle des galaxies. Dans ma thèse, j'explore par des simulations numériques une alternative de la gravitation newtonienne : MOND (Modified Newtonian Dynamics), où la loi newtonienne de la gravité est modifiée selon une échelle d'accélération, sans l'intervention de la matière noire.<br />Cette expression de la gravitation est non-linéaire et impose une méthode différente de celle utilisée dans les systèmes avec matière noire. J'ai écrit un code permettant la résolution des deux modèles de gravité, ce qui a permis de les comparer. J'ai testé ainsi l'évolution de galaxies spirales isolées puis en interaction. Ces simulations modélisent aussi la dissipation du gaz froid et la formation d'étoiles. Celles-ci ont montré que les galaxies sont moins stables en gravitation modifiée qu'en gravitation newtonienne, elles forment des barres plus rapidement. Ces simulations ont aussi révélé des différences importantes sur les transferts de moment angulaire lors des formations des barres et sur les effets de friction dynamique qui ralentissent les barres. Ce travail a permis de réaliser, pour la première fois en gravité modifiée, des simulations de galaxies en interaction du type des Antennes. Là encore, les effets de friction dynamique ont un rôle majeur sur la durée du temps de fusion, plus long en gravitation modifiée. Ceci ouvre des horizons vers des simulations cosmologiques qui pourraient valoriser un modèle en analysant la formation hiérarchique des structures à partir des fluctuations de densité primordiales. Par ailleurs, la modélisation de la cinématique des galaxies (naines, spirales et elliptiques) est aussi approfondie. En particulier, l'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales montre que celles-ci peuvent contenir un composant de gaz moléculaire froid deux fois plus massif que le composant atomique.

Cela fait plus de 80 ans que nous avons des preuves qu'environ 26% de la densité d'énergie de l'univers actuel se présente sous la forme de matière noire, qui interagit avec la matière ordinaire strictement par gravitation. Avec les neutrinos massifs, l’existence de particules de matière noire (DM) indique qu’il faut étendre le modèle standard de la physique des particules (SM) pour en tenir compte. Dans cette thèse, nous explorons la relation étroite entre la nature des couplages reliant la DM aux particules du SM et la production de l'abondance de la DM dans l'univers primordial. Nous commençons par examiner la classe la plus prédictive de candidats DM, les particules massives à interaction faible (WIMP). Leurs masses et couplages sont comparables à ceux du SM, et donc les deux secteurs ont déjà été en équilibre thermique, et l'abondance de DM respecte automatiquement les limites cosmologiques -- le "miracle WIMP". Les limites expérimentales actuelles repoussent l'espace paramétrique viable des modèles WIMP vers des limites complexes, rendant nécessaire l'ajout de particules supplémentaires dans le secteur sombre et la vérification plus précise de la condition de découplage. Après avoir considéré le statut phénoménologique d'une gamme significative de modèles pour les WIMP avec des masses dans l'intervalle 10-10⁴ GeV, nous examinons la phénoménologie d'une DM sur l'échelle MeV dans un modèle de portail Z'. En plus de chercher à améliorer la recherche de WIMPs, il convient de considérer le cas dans lequel DM et SM interagissent si faiblement qu’ils n’ont jamais atteint l’équilibre. Les particules massives à interaction faible (FIMP) sont des candidats DM produits à partir du SM dans des processus hors d'équilibre, un mécanisme appelé freeze-in. Nous montrons que si des champs lourds (10¹⁰-10¹⁶ GeV) interviennent dans les interactions DM-SM, le freeze-in est une possibilité naturelle qui fournit la bonne abondance de DM sans qu'il soit nécessaire d'imposer couplages extrêmement petits. Ces champs lourds sont en fait nécessaires dans des scénarios à hautes énergies théoriquement bien motivés tels que le GUT, le see-saw, la leptogénèse et l’inflation -- nous appelons cette coïncidence intéressante la "merveille FIMP". Nous explorons différentes réalisations de cette possibilité, avec des modèles impliquant des moduli, fermions, bosons de jauge et champs de spin-2 comme les médiateurs lourds. Nous montrons enfin dans quels cas la production de DM pendant le reheating après inflation a un impact sur l’espace paramétrique de tels modèles. / For more than eighty years, we face evidence that about 26% of the energy budget of the universe today is in the form of dark matter, whose interaction with ordinary matter is felt only gravitationally. Along with massive neutrinos, the existence of dark matter particles (DM) indicate that we must extend the standard model of particle physics (SM) in order to account for them. In this thesis, we explore the close relationship between the nature of couplings connecting DM to the SM sector and the production of the DM relic density in the Early Universe. We start by considering the most predictive class of DM candidates, the weakly interacting massive particles (WIMPs). Their masses and couplings are comparable to the SM ones, which ensure that both sectors were once in thermal equilibrium and automatically render the DM relic density within the inferred range -- the so-called "WIMP miracle". The current experimental bounds push the viable parameter space of WIMP models to complex corners, making necessary to add extra particles in the dark sector and to check the decoupling condition more carefully. After reviewing the phenomenological status of a comprehensive spectrum of models for WIMPs with masses in the range 10-10⁴ GeV, we consider the challenging phenomenology of an MeV DM in a Z' portal model. Besides seeking to improve the search for WIMPs, it is worth considering the case in which DM and SM interact so feebly that they had never reached equilibrium. Feebly interacting massive particles (FIMPs) are DM candidates produced from the SM thermal bath in out-of-equilibrium processes, a mechanism called freeze-in. We show that if heavy fields (10¹⁰-10¹⁶ GeV) mediate the DM-SM interactions, the freeze-in is a natural possibility that provide the right amount of DM in the universe without the need of extremely small gauge, yukawa or quartic couplings. Such heavy fields are actually needed in theoretically well motivated high-energy scenarios like for instance GUT, seesaw, leptogenesis and inflation -- we call this interesting coincidence the "FIMP wonder". We explore different realizations of such possibility, with models involving moduli, fermions, gauge bosons and spin-2 fields as heavy mediators. We finally show in which cases the DM production during reheating have impact on the parameter space of such models.

L'astronomie gamma de très haute énergie (E > 30 GeV) révèle la présence de processus non thermiques dans l'Univers, et est devenue une discipline à part entière depuis quelques années. La majorité des objets observés jusqu'à présent sont ponctuels ou peu étendus spatialement. Des émissions diffuses sont néanmoins attendues, issues de l'interaction des rayons cosmiques se propageant dans la Galaxie avec le milieu interstellaire. Une étude préliminaire du potentiel de détection de ces émissions est entreprise pour le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Cet instrument, fonctionnant depuis 2004, détecte la lumière Cherenkov émise par les gerbes de particules atmosphériques générées par les photons de très haute énergie. La méthode classique de soustraction de fond On-Off est étudiée. L'influence du bruit de fond de ciel sur le taux d'événements enregistrés est également analysée. La deuxième thématique de cette thèse concerne le potentiel de détection de la matière noire avec l'expérience H.E.S.S. Un code (baptisé CLUMPY) basé sur une approche semi-analytique est présenté. Il permet de calculer le flux de rayons gamma en provenance de l'annihilation de particules de matière noire, pour les structures et sous-structures de la Galaxie, les distributions étant spécifiées par l'utilisateur. Finalement, l'observation par H.E.S.S. de la galaxie naine sphéroïde Carina pendant ~15h a permis de placer une limite supérieure sur la section efficace d'annihilation du neutralino à ~1e-22 cm3/s.

Les courants stellaires de marée sont des structures en étoile immaculées qui jouent un rôle central dans la résolution des mystères de longue date de l'archéologie galactique. Étant donné que les flux sont de nature orbitale, ils possèdent intrinsèquement les caractéristiques de résolution de la distribution de masse sous-jacente de la galaxie et peuvent être utilisés pour sonder la forme du halo de matière noire. En plus de tester le scénario de «fusion hiérarchique» de la formation de galaxies, les brèches de ruisseau peuvent également fournir une preuve indirecte de l’existence de sous-halos de matière noire (ce qui, en principe, limite la nature de la particule de matière noire elle-même). Pour toutes ces raisons, l'analyse dynamique des flux stellaires de la Voie Lactée devient naturellement l'un des problèmes les plus intéressants. Cependant, le principal défi consiste à détecter ces structures. Au cours de la thèse, l’algorithme STREAMFINDER (un algorithme à la pointe de la technologie) a été conçu pour traiter systématiquement le jeu de données Gaia (le nouveau catalogue astrophysique de l’ESA contenant des solutions astrométriques sans précédent de plus de 1,6 milliard d’étoiles) pour la détection des flux stellaires de la Voie lactée. Cette lourde entreprise a permis de détecter 10 structures de flux de confiance, dont 5 étaient considérées comme de nouvelles découvertes. Cette récolte de structures a également facilité, pour la première fois, la création d’une carte structurale et cinématique panoramique des flux stellaires de la rivière Milky. Halo, poussant notre communauté encore plus loin dans l’histoire complexe de la formation de notre galaxie. Ce projet a été immédiatement suivi de l'analyse orbitale de l'un des flux détectés (à savoir GD-1) pour explorer les améliorations des modèles de potentiel gravitationnel de notre galaxie. Les contraintes imposées à la masse de la Voie lactée et à la forme de son halo de matière noire, obtenues simplement en utilisant ce seul flux, ont révélé la puissance potentielle que l'analyse d'un ensemble de flux permettrait de sonder la distribution globale de la masse galactique de notre galaxie. Ainsi, la thèse a ouvert la voie à de nouvelles découvertes des sous-structures stellaires, soulignant également les perspectives d'avenir dans ce domaine. / Tidal stellar streams are pristine star structures that play central role in addressing long standing mysteries of the Galactic archaeology. Since streams are orbital in nature, they inherently possess the characteristics of unravelling the underlying mass distribution of the galaxy, and can be used to probe the shape of the dark matter halo. Besides testing the ‘hierarchical merging’ scenario of galaxy formation, stream gaps can also provide indirect evidence for the existence of dark matter sub-halos (thereby, in principle, constraining the nature of the dark matter particle itself). Due to all these reasons, the dynamical analysis of stellar streams of the Milky Way Galaxy naturally becomes one of the interesting problems. However, the foremost challenge is to detect these structures. During the thesis, STREAMFINDER algorithm (a state of the art algorithm) was designed to systematically process the Gaia dataset (ESA’s novel astrophysical catalogue containing unprecedented astrometric solutions of over 1.6 billion stars) for the detection of the stellar streams of the Milky Way. This hefty endeavour led to the detection of 10 high confidence stream structures, of which 5 were reported as new discoveries.This harvest of structures also facilitated, for the first time, creation of a panoramic structural and kinematic map of the stellar streams of the Milky Way halo, taking our community a step further in unravelling the complex formation history of our Galaxy. This project was instantly followed by the orbital analysis of one of the detected streams (namely GD-1) to explore the improvements in the gravitational potential models of our Galaxy. The constraints on the Milky Way’s mass and that on the shape of its dark matter halo, that were obtained by simply employing this single stream, revealed the potential power the analysis of an ensemble of streams would hold in in probing the overall galactic mass distribtuion of our Galaxy. Thereby, the thesis paved way for new discoveries of the stellar substructures, also highlighting the future prospects in this field.

Le 4 Juillet 2012, la découverte d'une nouvelle particule scalaire d'une masse de l’ordre de 125 GeV a été annoncée par les collaborations ATLAS et CMS.Une nouvelle ère s'annonce : celle au cours de laquelle il faudra déterminer précisément les propriétés de cette nouvelle particule.Cela est crucial afin d'établir si cette particule est bien la trace du mécanisme responsable de la brisure de la symétrie du secteur électro-faible. Cela permettrait aussi de repérer tout élément susceptible d'être associé à une « nouvelle physique » dans le cas où le mécanisme de brisure ferait intervenir des ingrédients autres que ceux prédits par le Modèle Standard.Dans cette thèse, nous avons essayé de comprendre et de caractériser jusqu’à quel point ce nouveau champ scalaire est le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Nous avons établi les applications d'une telle découverte dans le contexte de théories supersymétriques et de modèles décrivant la matière noire.Dans une première partie consacrée au Modèle Standard de la physique des particules, nous étudions après une courte introduction au domaine, le processus de production d'une paire de bosons de Higgs au LHC. Un résultat majeur est que ce mode de production permettra de mesurer le couplage trilinéaire du Higgs qui est un paramètre essentiel à mesurer afin de reconstruire le potentiel du Higgs et donc représente la dernière vérification à effectuer pour confirmer l'origine de la brisure spontanée de la symétrie électro-faible.La deuxième partie traite des théories supersymétriques. Après une introduction au sujet, un de nos importants résultats est d'avoir fortement contraint un certain nombre de modèles supersymétriques après la découverte du boson de Higgs. Nous avons aussi introduit une nouvelle approche qui permet aux physiciens expérimentateurs de rechercher de manière efficace les bosons de Higgs supersymétriques dans les expériences actuelles et futures du LHC.La troisième partie concerne la matière noire. Nous présentons des résultats qui établis-sent d'importantes limitations sur des modèles où la matière noire interagirait avec le boson de Higgs. Nous discutons aussi de scénarios alternatifs qui font intervenir de la matière noire hors équilibre avec le bain thermique. Dans un premier temps nous dé-montrons qu'il existe un lien étroit entre la température de réchauffement de l'univers et le schéma de brisure du groupe de jauge du Modèle Standard et dans un deuxième temps nous étudions la genèse de matière noire par l'intermédiaire de nouveaux bosons Z’. / On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z’ portal.