Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses. / Astronomical and cosmological observations strongly suggest the presence of an exotic form of non-relativistic, non-baryonic matter that would represent 26% of the actual energy-matter content of the Universe. This so-called cold dark matter would be composed of Weakly Interactive Massive Particles (WIMP). PICASSO (Project In CAnada to Search for Supersymmetric Objects) aims to detect directly one of the dark matter candidates proposed in the framework of supersymmetric extensions of the standard model : the neutralino. The experiment is installed in the SNOLAB underground laboratory at Sudbury (Ontario) and uses superheated C4F10 droplets detectors, a variant of bubble chamber technique. Phase transitions in the superheated liquids are triggered by 19 F recoils caused by the elastic collision with neutralinos and create an acoustic signal which is recorded by piezoelectric sensors. This thesis presents recent progress in PICASSO leading to a substantially increased sensitivity in the search of neutralinos. New fabrication and purification procedures allowed a background reduction of about a factor 10 of the major detectors contamination caused by alpha emitters. Detailed studies allowed to localize these emitters in the detectors. In addition, data analysis efforts were able to improve substantially the discrimination between alpha particle induced events and those created by nuclear recoils. New analysis tools were also developed in order to discriminate between particle induced and non-particle induced events, such as electronic backgrounds and acoustic noise signals. An important new background suppression mechanism at higher temperatures led to the present improved sensitivity of PICASSO at low WIMP masses.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'experience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est constiture de quatre imageurs Cherenkov atmospheriques dedies a l'observation de sources astrophysiques de l'hemisphere austral emettant des photons au-dela de 100 GeV. Cette these presente le fonctionnement de cet instrument ainsi que toute la chaine d'analyse associee. Les methodes d'etalonnage du systeme sont detaillees et les erreurs systematiques sur l'amplitude des images sont estimees. Ensuite, une methode d'analyse des donnees, basee sur un modele semi-analytique de developpement des gerbes electromagnetiques dans l'atmosphere, est expliquee. Des methodes de reconstruction du spectre en energie et de la morphologie des sources de gamma haute energie sont presentees puis appliquees a la Nebuleuse du Crabe. Les erreurs systematiques associees a l'analyse spectrale sont estimees. Cette chaine d'analyse est ensuite utilisee pour etudier l'emission du Centre Galactique au-dela de 100 GeV. Les differentes observations menees en 2003 et 2004 ont mis en evidence un signal dont l'origine n'est pas encore connue. Le spectre, la variabilite et la morphologie de la source sont etudies. De nombreux candidats sont proposes, en particulier le trou noir supermassif Sgr A* situe au centre dynamique de la Voie Lactee, le reste de supernova Sgr A Est ou des interactions de particules accelerees sur le milieu dense de cette region. Dans cette these, le signal est interprete comme provenant de l'annihilation de particules de matiere noire non baryonique (neutralinos ou bosons de Kaluza-Klein) dans un halo dense situe au Centre Galactique. Cette analyse indique que le signal ne provient pas exclusivement d'annihilation de matiere noire dans le cadre des modeles etudies, et que la composante dominante serait donc de nature astrophysique.

Le réseau d'imageurs Cherenkov atmosphériques HESS (High Energy Stereoscopic System) est présenté. La simulation des gerbes atmosphériques et de l'instrument est détaillée et comparée aux données obtenues pendant les six premiers mois de fonctionnement. Après la présentation des méthodes d'étalonnage et d'extraction du signal gamma, ces techniques sont appliquées aux données prises sur la nébuleuse du Crabe. On obtient un signal significatif permettant d'estimer un flux différentiel à 1 TeV en accord avec les résultats obtenus par d'autres expériences dans le même domaine en énergie. Ces résultats sont exploités pour estimer le potentiel de détection de HESS au signal gamma d'annihilation de neutralinos en provenance du centre galactique et de l'amas globulaire Omega du Centaure. Dans cette étude, une modélisation des halos de matière noire est confrontée aux observations astrophysiques.

Cette these a pour objet l'etude de la production d'antiproton dans l'atmosphere. Une parametrisation de la section efficace inclusive pour la production d'antiprotons dans les collisions p+p et p+A est presentee, basee sur les regles de comptage de quarks, la phenomenologie de Regge et l'ajustement aux donnees. Cette parametrisation est en accord avec les donnees experimentales pour une energie incidente du nucleon au moins jusqu'a 24 GeV/n dans le laboratoire. Selon l'analyse de la distribution de la multiplicite moyenne d'antiprotons, cette parametrisation peut etre etendue sa validite jusqu'au moins s^1/2 environ 25 GeV dans le centre de masse. Avec cette parametrisation, le modele des nucleons touches est applique pour obtenir la section efficace de production d'antiprotons lors d'une collision A+A. Le flux atmospherique d'antiprotons aux altitudes des ballons et des satellites est calcule en incluant les protons et heliums cosmiques. Les collisions generees par l'helium contribuent pour environ 30% au flux total d'antiprotons atmospherique. Pour l'etude de l'origine exotique d'antiprotons, par exemple l'annihilation de la matiere sombre supersymetrique (les neutralinos) et l'evaporation des trous noirs primordiaux, les energies incidentes des particules cosmiques jusqu'a E=200 GeV/n contribuent le plus magnifiquement a la production d'antiprotons atmospheriques. Il est montre que le flux atmospherique d'antiprotons utilise pour corriger le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est sous-estime dans certains travaux precedents. Dans ce travail, le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est donc diminue de 10-15% par rapport au resultat original dans le domaine d'energie E_k> 1 GeV. Une experience de mesure d'antiprotons au sol est proposee pour valider la justesse de la production d'antiprotons calcules par les differents groupes. Les resultats de l'experience BESS 1999 a l'altitude de 2.77 km ont confirme la justesse de ce travail. A l'altitude d'AMS, le flux d'antiprotons mesure par cette experience dans la region polaire est pratiquement exclusivement constitue d'antiprotons cosmiques, avec une composante de seulement 2-3% d'antiprotons atmospheriques. Il est observe que, meme a tres haute altitude, quelques milliers de kilometres par exemple, il existe encore un flux residuel d'antiprotons atmospheriques dont les trajectoires sont tres compliquees et ne peuvent pas etre bien expliquees au moyen des variables habituelles. Finalement, le flux atmospherique de protons dans l'atmosphere est calcule. La deviation entre les calculs et les donnees ainsi que les origines possibles de cette deviation sont discutees.

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses. / Astronomical and cosmological observations strongly suggest the presence of an exotic form of non-relativistic, non-baryonic matter that would represent 26% of the actual energy-matter content of the Universe. This so-called cold dark matter would be composed of Weakly Interactive Massive Particles (WIMP). PICASSO (Project In CAnada to Search for Supersymmetric Objects) aims to detect directly one of the dark matter candidates proposed in the framework of supersymmetric extensions of the standard model : the neutralino. The experiment is installed in the SNOLAB underground laboratory at Sudbury (Ontario) and uses superheated C4F10 droplets detectors, a variant of bubble chamber technique. Phase transitions in the superheated liquids are triggered by 19 F recoils caused by the elastic collision with neutralinos and create an acoustic signal which is recorded by piezoelectric sensors. This thesis presents recent progress in PICASSO leading to a substantially increased sensitivity in the search of neutralinos. New fabrication and purification procedures allowed a background reduction of about a factor 10 of the major detectors contamination caused by alpha emitters. Detailed studies allowed to localize these emitters in the detectors. In addition, data analysis efforts were able to improve substantially the discrimination between alpha particle induced events and those created by nuclear recoils. New analysis tools were also developed in order to discriminate between particle induced and non-particle induced events, such as electronic backgrounds and acoustic noise signals. An important new background suppression mechanism at higher temperatures led to the present improved sensitivity of PICASSO at low WIMP masses.

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La matière sombre compte pour 85% de la matière composant l’univers et nous ne savons toujours pas ce qu’elle est. Depuis plusieurs années, l’expérience Picasso, maintenant devenue l’expérience PICO, tente d’élucider ce mystère. Les fréons de la famille des CXFY sont utilisés comme cibles de choix dans les détecteurs à liquides surchauffés de l’expérience PICO. Situés à SNOLab, en Ontario, ces détecteurs font parties des plus performant de la recherche de la matière sombre. Lors d’interactions de particules avec le liquide en surchauffe, un changement de phase est induit par le dépôt d’énergie engendré par l’interaction. Les bulles créées par l’évènement sont alors détectées par différents capteurs afin de déterminer le type d’interaction qui a eu lieu. Dans ce travail seront présentés les détecteurs à liquides surchauffés dans le cadre de la recherche de la matière sombre. Principalement, nous y verrons trois types de détecteurs utilisés par les expériences PICO et Picasso. Le principe de fonctionnement de chacun des détecteurs sera exposé en premier lieu ainsi que leur fabrication, puis leur mode d’opération et l’analyse des données. Les méthodes de calibration seront par la suite expliquées pour terminer avec une description des résultats obtenus démontrant la performance de ce type de détection. / Dark matter makes up 85% of the matter content of the universe and we still don’t know what it is made of. The Picasso experiment, now named PICO, has been searching for it for several years with the use of superheated liquid detectors. Following the interaction of a particle with a superheated liquid freon of the CXFY family, a bubble is formed through a phase change and is detected with several types of sensors, telling us about the nature of the event. Located at SNOLab, in Ontario, these detectors produce some of the best results in the field. The present work will go through three types of superheated liquid detectors. A full description of the working principles will be presented for each of them. In addition, the fabrication, the operation mode and the data analysis will be shown. Detector calibration techniques will then be presented with different particle sources. Finally, the most recent results will be discussed, demonstrating the performance of the superheated liquid detector technique.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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