Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

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

L'épinette noire est considérée comme l'une des essences commerciales résineuses les plus importantes de la forêt boréale du Québec (Gagnon et Morin 2001). Selon Larson 1963 (Lejeune 2004), le rendement en sciage dépend principalement des caractéristiques morphologiques de l'épinette comme la hauteur des arbres et le défilement. Le projet a consisté à reconstituer la forme 3D des tiges d'épinette noire et du sapin baumier avec les modèles de défilement développés par Schneider et al. (2014), à partir de leurs diamètres et hauteurs respectifs issus des données de l'inventaire écoforestier du Ministère des Forêts de la Faune et des Parcs (MFFP), (1360 placettes réparties dans le Québec forestier méridional). Le logiciel Optitek (développé chez FPInnovations) a ensuite été utilisé pour simuler le rendement théorique optimal en sciage de chaque placette. Une analyse de ce rendement a permis d'évaluer l'effet de variables géographiques, bioclimatiques, stationnelles et dendrométriques sur le rendement en sciage chez ces deux essences. L'effet de ces différentes variables a également été étudié en fonction du contexte du marché moyen du bois. Les résultats indiquent que le rendement en sciage augmente avec la hauteur des placettes mais différemment selon les configurations d'usines. Les modèles basés sur un diamètre minimum d'utilisation à 7.5 cm fournissent des estimations plus précises et des gains importants en termes de rendement en sciage et de produits forestiers que ceux basés sur un diamètre marchand à 9 cm fin bout. Les modèles d'analyses paramétrés en fonction des variables géographiques, dendrométriques et du bioclimat expliquent de façon significative la variation du rendement théorique en sciage (PMP/m³, types de produits p. ex. 10, 12, 16 pieds) à l'échelle de la placette. Ceux-ci révèlent une augmentation du rendement en sciage et qu'un fort indice de défilement des tiges dans les faibles densités influence à la baisse ce rendement suivant le type de configuration de l'usine 16'.

Pour cette étude, trois espèces de la forêt boréale ont été sélectionnées selon leur importance pour l'industrie forestière canadienne. Quinze billes de pin gris ont été récoltées au Lac Saint-Jean (Québec) puis sciées, séchées et testées afin de connaître le module d'élasticité statique (MOEstat) des pièces à 12% de teneur en humidité. Le même processus a été appliqué pour l'épinette noire provenant de la Côte Nord (Québec) et pour une plus grande quantité de billes (92) d'épinette blanche récoltées à la Forêt expérimentale de Petawawa (Ontario). L'objectif de ce travail consiste à déterminer la force des relations, à trois étapes du processus de transformation, entre les vitesses sonores, les modules d'élasticité dynamique (MOEdyn) et les MOEstat mesurés sur les pièces sciées. Des simulations ont aussi permis d'évaluer l'influence de la variation de la teneur en humidité sur la force de la relation entre le MOEstat et le MOEdyn pour les billes. Les résultats montrent que la force de la relation entre le MOEstat et le MOEdyn s'améliore lorsque la variation de la teneur en humidité du bois et la variation de la masse volumique anhydre de la bille sont connues, ce qui indique qu'il est préférable de mesurer directement la masse volumique de la bille lors de l'évaluation du MOEdyn.

Le boisement des tourbières résiduelles peut être envisagé comme complément à la restauration écologique ou comme option de réhabilitation lorsque la restauration pose problème. La tourbe résiduelle est trop pauvre en éléments nutritifs pour permettre une croissance adéquate des arbres. La fertilisation lors de la plantation est donc nécessaire pour favoriser la croissance et la survie des jeunes arbres. La refertilisation des plantations doit aussi être considérée pour soutenir leur croissance après que l'effet de la fertilisation initiale se soit estompé. Nous avons étudié l'effet de six traitements de fertilisation localisée, appliqués à la plantation, sur la croissance, la survie et la nutrition de plants d'épinettes noires et de mélèzes. L'importance de l'application d'azote, de phosphore et de potassium lors de la refertilisation de plantations a aussi été étudiée. Nos résultats démontrent qu'une fertilisation initiale appropriée doit contenir une source facilement accessible d'azote ainsi que des quantités suffisantes de phosphore et de potassium. De plus, lors de la refertilisation, le phosphore est l'élément clé à appliquer afin de stimuler la croissance des arbres. / Residual peatland afforestation can be complementary to ecological restoration or it can be a rehabilitation option where restoration is problematic. Residual is too nutrient poor to allow for adequate tree growth. Fertilization at planting time is then necessary to promote the growth and survival of tree seedlings. Refertilization must also be considered to sustain tree growth after that the initial fertilization effect has vanished. We have studied the effect of six localized fertilization treatments, applied at planting time, on the growth, survival and nutrition of black spruce and tamarack seedlings. The importance of applying nitrogen, phosphorous and potassium for plantation refertilization has also been studied. Our results show that a good initial fertilization must include an easily accessible nitrogen source as well as sufficient amounts of phosphorous and potassium. At refertilization time, phosphorous is the key element to apply to promote tree growth.

L’éclaircie commerciale est une activité relativement nouvelle au Québec et son utilisation est en augmentation depuis ces dernières années. Dans ce contexte, le ministère des Ressources naturelles du Québec a entrepris une étude des effets du traitement dans les peuplements forestiers de la province. La présente investigation analyse la mortalité des tiges dix ans après l’éclaircie commerciale. Avec l’appui du modèle ForestGales, il a été possible de déterminer les vitesses critiques du vent nécessaires au déracinement et à la rupture de tiges d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) et de sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill.). À partir de régressions logistiques, les variables les plus influentes sur le risque de mortalité au niveau des tiges individuelles ont été identifiées: le taux d’éclaircie, l’espèce, le diamètre et le type de dépôt. Finalement, cette étude propose un modèle capable de prédire le risque de mortalité pour les populations étudiées.

La valeur du panier de produits des peuplements résineux dépend des dimensions et du défilement des tiges, de la présence de défauts internes, mais aussi des propriétés physiques et mécaniques du bois, principalement de la rigidité du bois, puisque le bois d’œuvre résineux est utilisé essentiellement à des fins structurales. La rigidité du bois d’œuvre résineux est estimée en usine lors du classement visuel ou mécanique des sciages. En forêt, cette connaissance n’existe pas et il n’est pas possible aujourd’hui de localiser les régions ou les peuplements avec un fort potentiel de bois rigide, ni d’évaluer la valeur des bois ou encore de comparer la rentabilité des scénarios sylvicoles, en considérant ce critère de qualité déterminant. Cette absence de connaissances s’explique principalement par les efforts et les coûts considérables associés à la réalisation d’un inventaire de la qualité de la fibre, lequel suppose en effet l’échantillonnage de milliers d’arbres et des analyses en laboratoire très exigeantes. C’est dans ce contexte que la spectroscopie proche infrarouge a été évaluée, comme technologie rapide et non destructive, pour mesurer les propriétés physiques et mécaniques du bois. Dans un premier temps, nous avons évalué la variabilité écogéographique des propriétés du bois de l’épinette noire pour les deux principales végétations potentielles de la forêt boréale aménagée du Québec (chapitre 1). Nous avons observé que le bois poussant dans les peuplements purs d’épinettes noires avait des fibres matures plus longues, un bois significativement plus dense et de meilleures caractéristiques mécaniques que le bois poussant dans des peuplements mélangés avec le sapin baumier. Une approche de modélisation par saut d’échelle, basée sur des mesures de cernes provenant de 3350 placettes d’inventaire, a permis d’améliorer la performance de tous les modèles, en expliquant, à l’échelle du peuplement, 47%, 57%, 63% et 63% de la variabilité de la densité du bois, du module d’élasticité, de l’angle des microfibrilles, et de la longueur des fibres matures, avec des erreurs quadratiques moyennes, de 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° et 0.06 mm respectivement. Nous avons ensuite évalué le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour mesurer les propriétés du bois de l’épinette noire (chapitre 2). De bonnes et d’excellentes statistiques de calibration (R², rapport de la performance à l'écart) ont été obtenues pour la densité basale (0.85, 1.8), l’angle des microfibrilles (0.79, 2.2), et le module d’élasticité (0.88, 2.9). Une régression segmentée a également été appliquée au profil radial de l’angle des microfibrilles afin de déterminer l’âge de transition du bois juvénile au bois mature. Les valeurs obtenues avec SilviScan ont été comparées à celles obtenues par spectroscopie. L’âge moyen de transition (23 ans ± 7 ans) a été légèrement sous-estimé, par spectroscopie proche infrarouge, avec une erreur de prédiction moyenne de −2.2 ± 6.3 ans et des intervalles de confiance à 95% de −14.6 et 10.1. Ces résultats suggèrent que l’âge de transition du bois juvénile au bois mature peut également être prédit par spectroscopie proche infrarouge. Finalement, la spectroscopie proche infrarouge a été utilisée pour évaluer la variabilité régionale de la densité basale et de la rigidité du bois des principales essences boréales du Québec (épinette noire, sapin baumier, pin gris, bouleau à papier et peuplier faux-tremble) (chapitre 3). Un système automatisé a été développé à cette fin et calibré à partir de données SilviScan. La densité basale et la rigidité du bois ont été estimées sur 30159 carottes de bois provenant de 10573 placettes d’inventaire. Les observations de densité et de rigidité étaient spatialement autocorrélées sur de plus longues distances chez les feuillus que chez les résineux. Un gradient latitudinal uniforme relié au climat était apparent pour le bouleau à papier et le peuplier faux-tremble. La distribution spatiale de ces mêmes propriétés n’était pas uniforme chez les résineux, suggérant une adaptabilité environnementale plus restreinte en comparaison aux essences feuillues étudiées. Cette thèse présente de grandes avancées dans le développement d’une méthode d’inventaire de la qualité de la fibre au Québec. La variabilité régionale de la densité et de la rigidité du bois est maintenant connue pour les principales essences boréales du Québec. Les prochains travaux porteront sur l’estimation de ces propriétés à l’échelle du peuplement forestier. / The value of forest products from softwood stands depends on stems volume and taper, internal defects, but also on physical and mechanical wood properties, especially stiffness, since softwood lumber is primarily used for structural purposes. The lumber stiffness is evaluated in sawmills through visual or mechanical gradings. In forest, this knowledge does not exist and it is not possible to locate the regions or the forest stands with a high lumber stiffness, neither to evaluate the value of forest products and the economic profitability of forest management scenarios considering this key attribute. This lack of knowledge is mainly due to substantial investments associated with an inventory of wood fibre quality, which involves the sampling of thousands of trees and very demanding laboratory tests. It is in this context that the near-infrared spectroscopy was evaluated as a rapid, non-destructive method for estimating physical and mechanical wood properties. Ecogeographic variation in black spruce clear wood properties was first investigated for the two main vegetation types of the managed boreal forest of the province of Quebec (chapter 1). Wood growing in pure black spruce stands had longer mature fibers, a significantly denser wood with better mechanical characteristics than the wood growing in stands mixed with balsam fir. A scaling-up modeling approach, based on ring data from 3,350 inventory plots, has improved the performance of all models, explaining, at the stand level, 47%, 57%, 63% and 63% of variance in wood density, modulus of elasticity, microfibril angle and mature fiber length with estimated root mean square errors of 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° and 0.06 mm respectively. The potential of near-infrared spectroscopy to determine the transition from juvenile to mature wood in black spruce was then assessed (chapter 2). Good to excellent calibration statistics (R², ratio of performance to deviation) were obtained for basic density (0.85, 1.8), microfibril angle (0.79, 2.2), and modulus of elasticity (0.88, 2.9). Two-segment linear regressions were applied to microfibril angle profiles to determine the transition age. The values obtained using SilviScan data were compared with those obtained using near-infrared spectroscopy predicted data. The average transition age (23 years ± 7 years) was slightly underestimated by near-infrared spectroscopy with a mean prediction error (and 95% limits of agreement) of -2.2 ± 6.3 years (-14.6/10.1). These results suggest that the transition age from juvenile to mature wood could be predicted by near-infrared spectroscopy. Finally, the near-infrared spectroscopy was used for estimating the regional variation in wood density and stiffness for the main boreal species of Quebec (black spruce, balsam fir, jack pine, paper birch, trembling aspen) (chapter 3). An automated near-infrared system was developed for this purpose and calibrated using SilviScan data. Basic density and wood stiffness were estimated on 30,159 increment cores from 10,573 inventory plots. The observations in wood density and stiffness were spatially autocorrelated on longer distances in hardwoods than softwoods. A uniform latitudinal gradient related to climate was observed in paper birch and trembling aspen. Conversely, spatial distribution in wood density and modulus of elasticity was not uniform in softwoods, suggesting a more limited environmental adaptability in comparison to the hardwood species studied. This thesis has made major advances in the development of a method for inventorying wood fibre quality in Quebec. Regional variation in wood density and stiffness is now known for the main boreal species of Quebec. Future work will focus on estimating these properties at the forest stand level.

Plusieurs espèces d’oiseaux forestiers qui se reproduisent en Amérique du Nord ont des effectifs en déclin et nécessitent donc un suivi à long terme afin de respecter nos engagements en matière de biodiversité. De celles-ci une forte proportion est représentée par des espèces spécialistes de divers types d’habitats ouverts, c’est-à-dire sans couvert arborescent. Des habitats ouverts sont créés chaque année par les coupes totales en forêt boréale, mais ils sont en nette diminution dans les forêts plus méridionales de l’Est de l’Amérique du Nord depuis quelques décennies. Suite à l’importante médiatisation menée par plusieurs groupes de pression pour décrier la perte des forêts surannées et vierges, les coupes totales pratiquées par les forestiers sont de plus en plus mal perçues. Pourtant, les coupes totales, en tant que milieux ouverts, peuvent constituer d’importants habitats fauniques. Afin de déterminer leur importance pour la conservation, il est essentiel de mieux connaître leur utilisation par la faune. Cette étude s’est penchée sur une espèce faunique de milieux ouverts, la Paruline à calotte noire (Wilsonia pusilla). Les populations de cette espèce subissent une importante diminution depuis les 40 dernières années. Nous avons donc mesuré l’occurrence de cette espèce dans 43 sites d’aulnaies et 90 sites de coupes totales, sur le territoire de la Forêt Montmorency, Québec. Nous avons également mesuré 5 paramètres phénotypiques (poids, longueur de rectrice, longueur du bec, longueur de la calotte et longueur de l’aile) afin de vérifier s’il existait une différence entre les individus capturés dans les deux milieux. Finalement, nous avons vérifié quels étaient les facteurs du paysage qui influençaient l’occurrence de l’oiseau dans un site, et ce à quatre rayons différents (50m, 100m, 200m et 400m). Nous avons trouvé une proportion équivalente de Paruline à calotte noire dans les aulnaies que dans les coupes totales. Nous n’avons trouvé aucune différence phénotypique entre les individus capturés dans les deux habitats. La quantité de milieux ouverts autours des sites était fortement associée avec la présence de Parulines à calotte noire et ce, aux quatre rayons étudiés. La présence d’aulnaies buissonnantes et la quantité de régénération entre 2 et 4 m étaient aussi associées à la présence de l’espèce. Ces résultats jettent une nouvelle lumière sur l’habitat de l’espèce et identifient les coupes totales comme des milieux potentiellement importants pour le maintien des populations. Cependant, le rôle joué par les coupes totales devra être précisé grâce à des données sur la reproduction. / Many bird species breeding in North America require long term tracking because of their unknown or declining population status. Of those, an important proportion is represented by species associated with open habitats. Open habitats are created every year by clear-cutting in boreal forest but they have been decreasing since last two decades in deciduous and mixed forests of Eastern North America. Due to the important media coverage with conservation NGOs accusing clear-cutting and other types of timber harvest for the loss of old forest and associated species, perception of perturbation of forest made by man is mostly negative. However, clear-cuts, as open habitats, may be important to wildlife. To understand their conservation value, it is necessary to better understand their use by wildlife. The present study focused on a species dependent on open areas, Wilson’s Warbler (Wilsonia pusilla). Populations of this species have been declining importantly since the last 40 years. We evaluated species occurrence in 43 alder sites and 90 clear-cut sites, at the Forêt Montmorency, Québec. We also measured 5 physical traits of captured males (weight, rectrix length, beak length, cap length and wing length) in order to establish if there is a difference between birds found in the two different habitats. Finally, we evaluated which factors of the landscape affected the occurrence of bird in a site, at four different radii (50, 100, 200 and 400 m). We found an equal proportion of Wilson’s Warbler in both habitats and no phenotypic difference was found. Percentage of open area around site was strongly associated with the presence of Wilson’s Warblers, at each radius. Presence of patchy alder and percentage of regeneration between 2 and 4 m high were also associated with the species’ occurrence. Those results throw new light on the habitat of Wilson’s Warblers and highlight the potential role of clear-cuts for the maintenance of its populations. However, the role of clear-cuts will need to addressed with data on reproduction.

Cette étude a évalué l’influence de la température et de la teneur en humidité du bois sur son comportement mécanique lors du procédé d’obtention des copeaux papetiers. Les propriétés mécaniques qui furent étudiées sont le cisaillement parallèle au fil, le fendillement et la flexion statique. Des échantillons jumelés du duramen et de l’aubier ont été pris des billes d’épinette noire et de sapin baumier pour chaque propriété mécanique. Les essais mécaniques ont été conduits à des températures variant entre -30ʻC et 20ʻC et à des intervalles de 10ʻC. La teneur en humidité des échantillons était largement au-dessus du point de saturation des fibres. La teneur en humidité, la masse volumique basale et la largeur des cernes ont aussi été mesurées pour chaque échantillon. Les résultats montrent que, pour les deux espèces et pour toutes les propriétés mécaniques étudiées, la température a eu un effet significatif sur les propriétés mécaniques uniquement au-dessous de 0ʻC. Dans ce cas, cet effet a été plus évident pour l’aubier que pour le duramen. En général, pour des températures de 0ʻC et plus, la température n’a pas affecté différemment les propriétés mécaniques étudiées, autant pour l’aubier que pour le duramen. Le fendillement a été la propriété mécanique la plus sensible à la variation de la température, suivi par le cisaillement et le MOR et le MOE en flexion. En outre, la teneur en humidité a été l’élément le plus important pour expliquer les propriétés mécaniques au-dessous de 0ʻC. En revanche, pour les températures de 0ʻC et plus, la masse volumique basale fut le facteur principal pour expliquer les propriétés mécaniques. La largeur des cernes de croissance n’a pas constitué un élément significatif pour prédire aucune propriété mécanique. Les résultats de ce travail devraient servir à améliorer la performance des équarrisseuses-fragmenteuses autant en hiver qu’en été.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / L’objectif de cette étude fut d’établir l’effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température sur les constantes élastiques du bois d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). La méthode de six éprouvettes fut utilisée pour déterminer les constantes élastiques à huit conditions hygrothermiques, soit à quatre teneurs en humidité (7%, 13%, 17% et au-dessus de la saturation des membranes) et à deux niveaux de température (30°C et 50°C). Les mesures de déformabilité ont été faites en compression axiale. La déformation axiale fut mesurée avec un capteur linéaire Sangamo DG1.0 (LVDT). La déformation transverse fut mesurée avec un capteur extensométrique à demi–anneau (CEDA). Les résultats ont indiqué que la déformabilité du bois augmente au fur et à mesure que son humidité d’équilibre augmente. De plus, pour une même humidité d’équilibre, le bois devient plus déformable à mesure que la température s’élève de 30°C à 50°C. / The objective of this research was to study the influence of the equilibrium moisture content (EMC) and temperature on the mechanical properties of black spruce wood (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). The six specimen technique was used to determine the elastic parameters under eight hygrothermal conditions: four EMC (7%, 13%, 17% and above the fiber saturation point) at two temperatures (30°C and 50°C). Measurements were made in axial compression tests. Axial strain was measured using a Sangamo DG1.0 linear displacement sensor (LVDT). Transverse strain was measured using two semi-ring extensometers. The results show than wood deformability increases as EMC and temperature increase. Furthermore, at the given EMC, wood deformability increases as temperature increases from 30°C to 50°C.