De nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques tendent à montrer que l'essentiel de la matière de notre Univers est constitué de matière sombre. À l'échelle locale, la matière sombre serait rassemblée sous la forme d'un halo statique englobant la Voie Lactée.L'idée de la détection directionnelle est de mesurer la direction de reculs nucléaires produits par l'interaction avec les particules de matière sombre.Cette stratégie de détection pourrait alors mettre en évidence une corrélation entre la distribution angulaire des reculs nucléaires et le mouvement relatif du système solaire par rapport au halo permettant ainsi de découvrir et de contraindre les propriétés de la matière sombre.Dans ce contexte, la collaboration MIMAC a développé un détecteur gazeux permettant la mesure de la trace en 3D de reculs nucléaires.Afin de démontrer le potentiel de ce détecteur, un prototype bi-chambre a été installé au LSM en juin 2012.Cette thèse porte sur l'étude de la détection directionnelle avec le détecteur MIMAC selon quatre axes de recherche.Le premier axe concerne la caractérisation du détecteur avec l'étalonnage en énergie, la mesure du facteur de quenching et de la vitesse de dérive des électrons et la mise en place de la discrimination électron/recul.Le deuxième axe porte sur l'analyse des données expérimentales acquises au LSM. Ces donnés ont permis de réaliser la première mesure de traces en 3D de reculs de noyaux fils issus de la chaine du radon.Le troisième axe concerne la simulation du bruit de fond neutron au LSM avec un modèle de propagation des neutrons dans la caverne.Cela a permis d'estimer le taux d'événements neutron attendu et l'impact de la modélisation du fond neutrons sur la limite expérimentale.Enfin, le quatrième axe porte sur l'étude de l'impact des limites LHC sur la masse des squarks sur l'interaction entre les noyaux et la matière sombre. / A large number of astrophysical and cosmological observations support the fact that the matter component of our Universe is mainly composed by dark matter.At the local scale, a static and dense dark matter halo should surround the Milky Way.The directional detection idea is to measure the direction of nuclear recoils produced by the interaction with dark matter particles.This detection strategy could highlight a correlation between the angular distribution of nuclear recoils and the relative motion of the solar system respect to the galactic halo.Such signature opens the possibility to discriminate such rare events with respect to neutron background allowing the positive direct detection of dark matter.In this context, MIMAC collaboration has developed a detector allowing the measurement of 3D nuclear recoil tracks.Since June 2012, a bi-chamber prototype is installed at the LSM to demonstrate the potential of this detector.This Ph.D. thesis presents a study of dark matter directional detection with the MIMAC detector including four different aspects.The first one consist in the characterization of the detector describing the energy calibration, the measurement of the quenching factor and the electron drift velocity and the electron/recoil discrimination.The second one focuses on the analysis of experimental data acquired at the LSM. This study shows, for the first time, the observation of low energy 3D nuclear recoil tracks from the radon progeny.The third one describes the neutron background simulation at the LSM with a neutron propagation model showingthe expected neutron event rate and the impact on exclusion limits.Finally, the fourth one is related to the study of the impact of squarks masse limits from LHC results on supersymmetric particles interaction with quarks.

Dans le cadre de l'expérience EDELWEISS, nous avons cherché des WIMPs, hypothétiques et discrètes particules supersymétriques, qui pourraient éclaircir l'énigme de la matière sombre. Pour cela, nous avons employé un bolomètre à ionisation, monocristal de 70 g de germanium à 20 mK, dans lequel un WIMP diffusant élastiquement sur un noyau créerait deux signaux : une impulsion de température et une charge. Afin de s'affranchir des bruits électroniques affectant nécessairement les signaux, faibles, nous avons appliqué une méthode de filtrage optimal dans l'espace des fréquences. Elle fournit des résolutions de 1.2 keV LTMH à 122 keV d'énergie sur les deux voies. D'autre part, elle permet de bien séparer jusqu'aux basses énergies le signal attendu (reculs nucléaires) des contaminations radioactives photoniques (reculs électroniques, plus ionisants pour une énergie identique). Ainsi, sur des étalonnages, nous rejetons 99.7% du fond,tout en conservant 95% du signal, au-delà de 15 keV. Lors des 1.17 kg.jours de données prises pour chercher les WIMPs, nous avons constaté une population du fond radioactif s'immisçant dans le signal attendu. Il s'agit vraisemblablement d'une composante électromagnétique de basse énergie, interagissant superficiellement dans le détecteur, où la charge ne peut être collectée complètement. Néanmoins, moyennant la conservation de seulement la moitié du signal, nous pouvons encore rejeter 98.5% du fond. Ceci permet de passer d'un taux de 40 évts/j/kg/keV à une limite supérieure (à 90%) conservatrice sur le signal de 0.6 évts/j/kg/keV. Il s'agit d'une amélioration de près de trois ordres de grandeur depuis la campagne précédente, et qui se rapproche des zones prédites par la supersymétrie.