Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Malgré le succès incontestable du Modèle Standard de la physique des particules, il est vraisemblable qu'il ne soit qu'une partie de la théorie complète de physique des particules -- comme c'est le cas des hypothèses de théories unifiées -- et ainsi de nombreux efforts ont été dédiés au développement de théorie de Nouvelle Physique. La Supersymmétrie est l'une des extensions les plus populaires puisque qu'elle permet non seulement de résoudre le problème de Naturalité mais présente aussi une candidat viable de matière sombre. Ce dernier point a été particulièrement mis en avant avec les récentes mesures expérimentales qui ont permis d'affiner significativement notre connaissance des propriétés de cette matière sombre. En particulier, la détermination de la densité relique de matière sombre dans l'univers est à présent réalisée avec une précision de l'ordre du pourcent. Dans le cadre du Modèle Standard Supersymmétrique Minimal (le MSSM), cette contrainte permet ainsi de tester la structure à une boucle de la théorie. Cependant c'est aussi un modèle présentant un très grand nombre de paramètres, comparé au Modèle Standard, et le calcul complet des observables à une boucle reste trop long pour être effectué sur l'ensemble de l'espace des paramètres. Dans cette thèse, je me suis ainsi intéressé à la possibilité de reproduire ces corrections à la boucle par un ensemble de couplages effectifs. L'approche effective présentant l'avantage de garder la simplicité d'un calcul effectué à l'arbre tout en conservant une trace des effets caractéristiques de boucles comme le non-découplage de certaines particules lourdes. Le LHC (Large Hadron Collider), dont les opérations ont démarrées juste après le début de ma thèse, soit à l'automne 2009, a fourni des données complémentaires aux observables de matière sombre. En effet le secteur du Higgs du MSSM est très peu flexible, ce qui a pour effet d'introduire ce que l'on appelle le problème du ``fine-tuning'', c'est à dire la nécessité d'avoir des valeurs très précises pour les paramètres. Afin d'y remédier, de nombreux modèles ont été créés au delà du MSSM, comme le NMSSM (en anglais Next-to-MSSM). Dans le but de suivre une approche plus générale, j'ai décidé au cours de cette thèse d'utiliser à nouveau l'approche effective, mais dans un but différent : alors que les couplages effectifs utilisés dans le cas de la matière sombre sont choisi pour reproduire le plus fidèlement possible les corrections à la boucle des particules du MSSM, les opérateurs effectifs que nous ajoutons au secteur du Higgs sont les effets à basse énergie (c'est à dire l'énergie de production du Higgs) d'une nouvelle physique à haute énergie. Bien que dédiées à deux buts différents, ces deux implémentations d'une même technique montrent bien ses différents atouts. Dans un des cas (celui du Higgs) les opérateurs effectifs permettent de paramétrer l'effet d'une physique ultraviolette inconnue, alors que dans l'autre cas cette physique ultraviolette se réduit au simple MSSM. / Despite the numerous successes of the Standard Model of particle physics, it is believed that the complete picture of particle physics could be larger, as a unified theory for instance, and thus many efforts have been devoted to the development of theories of new physics. Supersymmetry is one of the most popular extensions since in addition to a solution of the naturalness issue, it provides a viable dark matter candidate. This last sector being all the more important now that recent experimental measurements have significantly increased our knowledge about dark matter properties, in particular the experimental determination of the relic density has reached the accuracy of a few percent. When applied to the Minimal Supersymmetric Standard Model (the MSSM, which is the simplest supersymmetric extension of the Standard Model), this constraint will thus shed light on the one-loop structure of the model. The MSSM is however much more liberal with unconstrained parameters than the Standard Model is, and the full one-loop computation of the relic density tends to be too long to be carried out throughout this large parameter space. In this thesis I have thus explored the opportunity of accounting for those loop corrections through a set of effective couplings. This effective approach has the advantage of keeping the simplicity of a tree-level computation but encoding at the same time genuine loop features such as the non-decoupling of heavy particles. Complementary to those constraints are the observables related to the LHC, which started taking data shortly after the beginning of my PhD in fall 2009. The Higgs sector of the MSSM is tightly constrained and this results in a certain fine-tuning of the model, which led to the creation of many models beyond the MSSM (such as the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). Arguing for a more general approach, I have decided in this thesis to use again the effective approach but with a different aim : while the effective couplings in the case of dark matter are determined to account for the MSSM loop corrections, the effective operators we add to the Higgs sector of the MSSM are the remnants of the integration of a heavy extra spectrum. This effective approach, called the BMSSM (for Beyond the MSSM) is known to account for many different realisations of non-minimal supersymmetry, and we have used it as a framework to recast the results of the Higgs analyses carried out by ATLAS and CMS collaborations. This study has led to the caracterisation of the rich phenomenology of the Higgs sector in the BMSSM, with in particular the possibility for a signal quite different from Standard Model or MSSM expectations. Though based on distinct aims, the two implementations of the effective approach show the different advantages of an effective field theory. In the first case the effective operators are parametrising the effect of an unknown UV completion, whereas in the second we assume this UV completion to be the MSSM.

Cette thèse traite des aspects astrophysiques de la détection directe (DD) de matière noire sous forme de WIMPs. On se concentre sur les contraintes observationnelles des quantités astrophysiques qui influent sur l'interprétation des résultats expérimentaux de DD.On revoit tout d'abord le formalisme de la DD et on résume les résultats expérimentaux les plus importants ainsi que les méthodes statistiques généralement utilisés pour interpréter les données. On reproduit ensuite les limites expérimentales sur la section efficace spin-indépendante. On résume l'ensemble des hypothèses astrophysiques couramment utilisées dans le modèle de halo standard et on décrit l'influence de ses paramètres sur les limites.Pour inscrire la DD dans un cadre plus général, on résume les concepts les plus importants de la dynamique Galactique. En particulier, on revoit comment modéliser la Galaxie avec des modèles de masse, tout en soulignant les relations entre les différentes quantités astrophysiques. On décrit des procédures qui permettent d'obtenir des distributions dans l'espace des phases de la matière noire qui soient consistantes avec un profil de matière noire et un potentiel Galactique donné. La plus simple procédure étant basée sur l'équation d'Eddington, on discute ses limites d'applicabilité. On revoit dans les détails la littérature récente concernant les déterminations et les incertitudes des quantités astrophysiques liées à la DD et des paramètres Galactiques fondamentaux.Dans la dernière partie de la thèse on s'intéresse aux estimations récentes de la vitesse d'échappement publiées par la collaboration RAVE. On étudie dans les détails les implications de ces résultats sur les expériences de DD. Pour cela on prends en compte les corrélations entre les quantités astrophysiques importantes pour la DD, et en assumant le modèles de masse de RAVE on calcule la distribution de matière noire dans l'espace des phases avec l'équation d'Eddington. Du fait des valeurs plus élevés de la densité locale de matière noire, cette procédure conduit à des limites plus contraignantes par rapport a celles standards. / This thesis deals with the astrophysical aspects of the direct detection of WIMP dark matter (DMDD). In particular, it focuses on the observational constraints on the astrophysical quantities relevant for DMDD, which impact on the interpretation of the experimental results.We review the formalism of DMDD and we summarize some of the main experimental results in this domain and the statistical methods usually employed to interpret the data, reproducing the associated constraints on the parameter space relevant for spin-independent WIMP-nucleon interaction. We summarize the set of astrophysical assumptions usually employed, the Standard Halo Model, and we point out the impact of variations in its parameters on such limits.We outline the main concepts of the dynamics of our galaxy that allow to put the astrophysics related to DMDD in a wider framework. In particular, we review the description of the Galaxy through Milky Way mass models (MWMM), pointing out how the astrophysical quantities are related. We describe some procedures to obtain dark matter phase-space distributions consistent with given dark matter profile and Galactic potential, the simplest being Eddington equation, of which we discuss the limits of applicability. We review in detail the recent literature on the main determinations and uncertainties of the astrophysical quantities relevant for DMDD and of the fundamental Galactic parameters.In the most original part of this thesis we focus on the recent estimates of the local Galactic escape speed published by the RAVE collaboration. We study in detail the implications of these results for the spin-independent interpretation of DMDD experiments. We take into account the correlations between the astrophysical quantities relevant for DMDD calculations, and from the assumed MWMM we compute the dark matter phase-space distribution using Eddington equation, which provides a self-consistent physical connection between the two. This procedure leads to more constraining exclusion curves with respect to the standard ones, due to higher values of the local dark matter density.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse présente quelques applications des théories alternatives de la gravitation relativiste. Nous étudions en particulier le mouvement à deux corps dans une théorie purement scalaire de la gravitation et la production d'ondes gravitationnelles par les systèmes binaires. Nous obtenons nombre de résultats analytiques et numériques relatifs à ce problème. Nous étudions également en détail la théorie MOND (pour \textit{Modified Newtonian Dynamics}) qui cherche à expliquer, en particulier, les courbes de rotation des galaxies en terme d'une modification des lois de la gravitation, et non à l'aide d'un surplus de matière inconnue et invisible, la matière noire. Cela nécessite de recourir à une théorie qui diffère de la relativité générale au moins dans le régime non-relativiste et des champs faibles, ie. qui ne se réduise pas à la théorie de Newton dans cette limite. La construction d'une telle théorie est l'objet d'une partie de cette thèse. Nous présentons quelques modèles alternatifs à la relativité générale susceptibles de rendre compte de la phénoménologie souhaitée, en proposons de nouveaux, et les analysons en détail à la lumière des contraintes les plus importantes que doit satisfaire toute théorie raisonnable : accord avec l'expérience, stabilité, causalité, localité, en plus d'être naturelle. Nous montrons que des problèmes théoriques imposent de modifier significativement la phénoménologie usuelle de MOND, au moins dans les cadres formels les plus usités. Nous proposons également un modèle de l'anomalie Pioneer, et montrons enfin comment expliquer la vitesse d'échappement à la galaxie sans recours à un quelconque halo de matière noire.

Nous présentons des données cinématiques 2D obtenues pour un échantillon de 96 galaxies spirales et irrégulières, à partir de l'observation de la raie Ha (656.3 nm). Dans le premier chapitre, nous décrivons le programme d'observation GHASP dans lequel s'inscrit cette thèse. Ensuite, nous détaillons l'instrumentation avec laquelle les observations ont été réalisées (principalement un réducteur focal, un Fabry-Perot à balayage et une caméra à comptage de photons) ainsi que les processus de réduction des données. Dans la quatrième partie, les résultats observationnels sont présentés, soit pour chaque galaxie : la carte monochromatique, la carte du champ de vitesses et la courbe de rotation. L'analyse de l'ensemble des données cinématiques montre notamment que : l'allure des courbes de rotation Ha varie avec la luminosité et le type morphologique. Seules les galaxies de type précoce ont des courbes de rotation décroissantes. Les galaxies barrées présentent un gradient interne de vitesse plus faible que les galaxies sans barre. Les galaxies peu massives et peu lumineuses présentent les courbes de rotation les plus dissymétriques. Les galaxies de type Sd, Sdm et Irr présentent des caractéristiques cinématiques semblables. L'extension maximale des disques Ha varie avec le type morphologique de manière identique à l'extension des disques HI. Dans la dernière partie, des modèles de masse ont été réalisés pour 23 galaxies en utilisant des profils de densité de halos dits plats et piqués. Nos modèles montrent que, pour une majorité des 23 galaxies étudiées ici, les halos sombres tendent plutôt à avoir une densité centrale constante, quel que soit le type morphologique, la magnitude et la masse, en accord avec les précédents travaux basés sur des courbes de rotation.

La Matière Sombre représente une des quêtes les plus importantes pour la compréhension des constituants élémentaires de l'Univers: la nature de la Matière Sombre est toujours mystérieuse. La dernière décennie a connu des développements expérimentaux remarquables dans la recherche de la Matière Sombre. Le but de ce travail est l'étude de candidats de Matière Sombre de nature supersymétrique (le neutralino) et au-delà (les particules scalaires), et de leurs aspects phénoménologiques et d'astroparticules. Le neutralino, dans l'intervalle de masses 1-100 GeV, est testé par les expériences du Grand Collisionneur d'Hadrons, de détection directe et de détection indirecte; ce travail montre que la combinaison de ces techniques est un outil décisif pour une recherche minutieuse des prédictions théoriques. Les particules scalaires sont des candidats non-standards de masses jusqu'à 1 MeV qui pourraient être produits abondamment dans le Grand Collisionneur d'Hadrons, et au même temps expliquer d'autres phénomènes tels que la masse des neutrinos et/ou le signal à 511 keV provenant du centre galactique de la Voie Lactée.

La détection directionnelle constitue une variante de la détection directe, en proposant de reconstruire la cinématique de l'interaction WIMP-noyau, c'est-à-dire en ajoutant l'information sur la trace du recul à celle sur l'énergie déposée. L'idée est de profiter du mouvement du système solaire autour du centre galactique et à travers le halo de matière sombre. On observe ainsi un vent relatif de WIMP en provenance de la direction vers laquelle se dirige le système solaire. Par conséquent, une expérience sensible à la direction d'interaction devrait observer un excès d'événements dans cette direction, clairement discriminable du bruit de fond, isotrope dans le référentiel galactique. Une nouvelle méthode d'analyse statistique est présentée. Elle permet d'extraire des données des futurs détecteurs directionnels, la direction principale du signal ainsi que le nombre de WIMPs contenus dans la carte. L'origine galactique du signal peut ainsi être mise en évidence en montrant que la direction correspond à celle du vecteur vitesse du Soleil. Il s'agit d'un changement de perspective vis-à-vis de la détection directe de matière sombre non-baryonique. Profitant des avancées en technique de détection, on passe d'une stratégie de rejet du bruit de fond à une stratégie d'identification du signal WIMP. Finalement, le Chapitre 3 décrit les travaux préparatoires à un grand détecteur directionnel pour la recherche de matière sombre galactique. La stratégie directionnelle requiert une mesure précise à la fois de l'énergie déposée et de la trace en trois dimensions. L'obtention de ces informations structure le cahier des charges du projet de détecteur MIMAC dont l'élément de base est une TPC fonctionnant à basse pression. Les mesures de très basses énergies (inférieures au keV) seront présentées ainsi que les premiers résultats concernant la reconstruction en trois dimensions de reculs nucléaires.