Le spectre des rayons cosmiques semble se prolonger au-delà de la coupure GZK ; leur mode de production à ces énergies et leur propagation à travers l'espace ne sont pas bien compris. Malgré des flux extrêmement faibles, ces particules ultra énergétiques sont détectées sur Terre par des gerbes atmosphériques qui arrivent jusqu'au sol. Des simulations tentent de reproduire leur comportement en extrapolant les sections efficaces. L'Observatoire Pierre Auger détecte ces gerbes grâce à des télescopes de fluorescence et un réseau de cuves Cerenkov, qui couvriront finalement 3000 km2, nécessaires pour accumuler suffisamment de statistiques. Le système d'acquisition développé au LPNHE assure la communication avec le réseau et l'enregistrement des données. Un logiciel développé pendant la thèse permet la visualisation et la reconstruction des événements candidats. Les erreurs systématiques et aléatoires ont été identifiées et réduites dans tous les ajustements, afin que la détermination de la direction et de l'énergie du rayon cosmique primaire soit juste et précise. L'identification de la nature du primaire par l'âge de la gerbe améliore ces résultats.

L'Observatoire Pierre Auger a été spécialement conçu pour acquérir une statistique importante de rayons cosmiques d'ultra haute énergie (supérieure à 1019 eV) afin d'en comprendre l'origine. Il associe deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, produit de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère : des télescopes à fluorescence mesurent le profil longitudinal de la gerbe et un réseau de détecteurs au sol échantillonne le profil latéral. Après une présentation sur les rayons cosmiques, la détection des gerbes atmosphériques par l'Observatoire Pierre Auger est exposée. Le troisième chapitre est consacré à la description d'outils qui ont été réalisés dans le cadre de la mise en place de la base de données de l'expérience au Centre de Calcul de l'IN2P3 à Lyon. Nous abordons ensuite les analyses que nous avons pu mener grâce à la mise en place du réseau prototype sur le site sud de l'Observatoire. Dans un premier temps, les événements enregistrés ont permis d'étudier différentes constantes de calibration des détecteurs de surface. Nous nous sommes ensuite consacrés à la reconstruction des événements, 11 mois de prise de données ont été analysés. Enfin, une analyse Monte Carlo a été menée pour déterminer la nature de ces rayons cosmiques. Trois paramètres des gerbes atmosphériques, mesurables par le détecteur de surface et permettant de discriminer entre les différents types de particules primaires, ont été extraits et comparés avec les données du réseau prototype.

L'observatoire Pierre Auger se propose de recueillir une statistique sans précédent concernant le spectre des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Les quelques données actuelles suggèrent une absence de coupure GZK, coupure liée à la distance d'atténuation des protons dans un milieu de propagation tel que le rayonnement fossile à 3K.<br> Après avoir étudié l'effet des champs magnétiques extragalactiques sur la propagation des rayons cosmiques et l'influence sur le spectre, une grande partie du chapitre consacré à la description de l'expérience Auger sera laissée au système d'acquisition des données.<br> L'étude des gerbes atmosphériques initiées dans la haute atmosphère sous incidence rasante est riche d'enseignements concernant la possibilité de détection de neutrinos. Une procédure de reconstruction de l'énergie des gerbes rasantes hadroniques est formalisée et appliquée aux événements du prototype dans le chapitre 4, et le calcul de la sensibilité aux neutrinos du détecteur complet est donné dans le chapitre 5.<br> Enfin, l'analyse des données de l'année 2002 du réseau prototype de l'expérience Auger est l'objet du chapitre 6.

Les photomultiplicateurs sont au coeur de la plupart des expériences d'astroparticules. Dans ce<br />cadre, nous avons étudié et caractérisé des photomultiplicateurs (PM) hémisphériques fabriqués par la<br />Société Photonis. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation complète de deux<br />types de multiplicateurs couramment utilisés dans les PM de grande dimension. Nous montrons<br />ensuite les résultats obtenus avec un PM équipé d'une nouvelle photocathode développée pour<br />améliorer le rendement quantique. Pour finir cette partie, nous présentons les résultats sur l'évolution<br />des principaux paramètres des PM en fonction de la dimension (5, 8 et 10 pouces).<br />La deuxième partie est consacrée à l'étude de la réponse des détecteurs Čerenkov à eau du réseau<br />surface aux particules des gerbes et à l'analyse des gerbes horizontales avec l'Observatoire Pierre<br />Auger. De nombreuses mesures faites sur plusieurs détecteurs tests ont permis de mettre au point une<br />simulation du détecteur réaliste qui sera utilisée ensuite dans la procédure de reconstruction de<br />l'énergie des gerbes et de déterminer les paramètres clefs de l'étalonnage des détecteurs de surface. Le<br />type de détecteur choisi pour instrumenter le réseau de surface permet d'avoir une bonne sensibilité<br />aux événements horizontaux (angle zénithal supérieur à 70°). Nous avons mis au point des méthodes<br />spécifiques d'analyse pour ces événements. Cette procédure a été appliquée aux données d'Auger afin<br />d'obtenir le spectre en énergie des gerbes horizontales. Nous finissons cette partie en détaillant deux<br />méthodes pour tester directement les prédictions des modèles hadroniques en étudiant la composante<br />muonique des gerbes.

Près d'un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques sont encore sujets à de nombreuses interrogations. À ultra-haute énergie (UHE), leur nature, leur origine et leur mécanisme de production restent encore inconnus malgré les avancées expérimentales. L'observatoire Pierre Auger est actuellement l'expérience incontournable pour tenter de répondre à ces questions. Dans ce contexte, l'étude et la recherche de neutrinos à UHE sont susceptibles d'apporter des informations encore manquantes au puzzle des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, notamment quant à leur mécanisme de production ou leur origine. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, centrée sur la recherche de neutrinos à UHE à l'observatoire Pierre Auger et plus particulièrement sur l'étude des neutrinos arrivant sous l'horizon (i.e. à incidence rasante) et interagissant dans la croûte terrestre. Dans une première partie, le contexte phénoménologique et expérimental dans lequel s'inscrit cette thèse est introduit. Dans une seconde partie, nous présenterons tout d'abord notre étude des incertitudes systématiques sur les modèles d'interactions à UHE des neutrinos et des leptons tau à travers une analyse revisitée des neutrinos tau à incidence rasante. Cette étude s'inscrit dans le cadre de la combinaison des résultats des différents canaux de détection de l'observatoire qui a permis de poser une limite compétitive sur les flux de neutrinos à UHE, au delà de la limite de Waxman et Bahcall. Nous présenterons ensuite notre travail effectué sur les neutrinos électroniques à incidence rasante. Ces derniers engendrent, en interagissant dans la croûte terrestre, des gerbes électromagnétiques souterraines soumises à l'effet LPM (Landau, Pomeranchuk et Migdal) qui entraîne un retard de leur développement et augmente leur probabilité de détection. Une chaîne complète de simulation de ce canal a été développée afin d'évaluer la sensibilité de l'observatoire à ces évènements. Enfin, dans le cadre de propositions d'améliorations de l'observatoire en vue d'accroître ses performances à partir de 2015, nous présentons l'étude que nous avons effectuée sur l'impact d'une nouvelle électronique d'acquisition et de nouveaux modes de déclenchements sur l'efficacité de détection des neutrinos à incidence rasante par les stations du réseau au sol. / Nearly one century after their discovery, cosmic rays are still subject to many questions. In particular at ultra-high energy (UHE) where their nature, origin and production mechanism are still unknown despite numerous experimental advances. The Pierre Auger observatory is currently the key experiment to try to answer these questions. In this context, the search for UHE neutrinos remains a major challenge for astroparticle physics. Their study is likely to bring informations that are still missing to the ultra-high energy cosmic ray puzzle regarding their origin and production mechanism. This thesis focuses on the search for UHE neutrinos at the Pierre Auger observatory and particularly on neutrinos arriving below the horizon (i.e. earth skimming) and interacting in the earth crust. In a first part, the phenomenological and experimental context is introduced. In a second part, we first present our study of systematic uncertainies on interactions models of UHE neutrinos and tau lepton through a revisited analysis of earth skimming tau neutrinos in the context of the combination of the results of the different observatory's detection channels. This combination allowed to put a competitive limit on the UHE neutrinos flux, beyond the Waxman and Bachal limit. We will then show our work on earth skimming electron neutrinos. They produce, by interacting in the earth crust, underground electromagnetic showers subject to the LPM (Landau, Pomeranchuk and Migdal) effet which causes a delay in their development and increaase their detection probability. A complete simulation chain of this channel was developed in order to estimate the sensitivity of the observatory to such events. Finally, in the context of proposals to upgrade the observatory in order to improve its performance beyond 2015, we present the study we have performed about the impact of a new acquisition electronic and new triggers on the earth skimming neutrinos detection efficiency by the stations of the ground array.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la détermination de la masse des rayons cosmiques d’ultra haute énergie faite à l’Observatoire Pierre Auger. Aujourd’hui cette mesure est faite à travers l’utilisation de télescopes à fluorescence qui nécessitent des conditions de luminosité spéciales réduisantle cycle utile à environ 10%. Trois approches différentes sont proposées:La première approche est une nouvelle analyse. Les muons issus des gerbes horizontales sont déviés par le champ magnétique terrestre. Cette déviation modifie l’empreinte au sol des gerbes atmosphériques et est fonction de la longueur de parcours des muons. Un estimateur de Xμmax, leur point de productionmaximum, qui dépend de la masse du primaire peut être construit.La deuxième approche explore la détection du rayonnement radio émis par les gerbes atmosphériques, une technique similaire à la fluorescence mais sans limitation du cycle utile. La détection du rayonnement de Bremsstrahlung moléculaire est revue et explorée de différentes manières.La troisième approche propose un nouveau type de détecteur pour le réseau de surface, ces détecteurs ayant une réponse distincte aux différentes composantes des gerbes atmosphériques : électromagnétique et muonique. La mesure de la composante muonique est aussi un moyen d’accéder à la nature du primaire.La nouvelle analyse semble un outil prometteur qui peut s’appliquer à tout lot de données. La radio-détection en revanche n’apparaît pas comme une alternative compétitive face aux techniques traditionnelles. Le nouveau détecteur offre de belles perspectives et devrait être considéré pour l'équipementdes futurs observatoires. / The motivation of this PhD thesis is to improve the capabilities to determine the mass composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory. The measure of their mass composition is done with the fluorescence technique, that needs special luminosity conditions that reduce the exposure time to about 10% of the time. Three different approaches are proposed.The first approach is a new analysis. Muons in the horizontal showers are deviated by the magnetic field of the Earth. This deflection is related with different characteristics of the extensive air shower that allow the construction of an estimator to obtain an alternative measure of Xμmax, an observable sensitive to the mass of the primary.The second approach is to explore the detection of the radio emission produced in the extensive air showers, a technique similar to the fluorescente one, but without the limitations in the duty cycle. The detection of the Molecular Bremsstrahlung Radiation emission is revised and investigated from different points of view.The third approach is to propose a new surface detector that obtains different responses to the different components of the extensive air shower: electromagnetic and muonic. The access to the muonic component is another way to access to the composition of the primary particle.The new method of analysis proposed appears as a promising tool to be applied in any data set. The technique of the radio detection did not show clear indications of being an alternative to traditional techniques. The new detector represents a promising alternative to be considered in any future ultra-high energy cosmic rays experiment.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie forment un sujet d'astroparticules très actif car nos connaissances dans ce domaine sont encore loin d'être complètes. Par exemple, ni la nature ni les sources de ces particules ne sont clairement identi- fiées. Le seul fait expérimental bien établi à ce jour est l'existence d'une coupure dans le flux en énergie, autour de 4 × 1019 eV, en bon accord avec la coupure prédite par Greisen-Zatsepin-Kuzmin, comme conséquence de l'interaction des rayons cosmiques avec le rayonnement de fond cosmologique, aux énergies les plus hautes. Concernant les sources, seule une statistique accrue peut éventuellement résoudre l'énigme et il faudra probablement attendre une prochaine génération d'expériences, proposant une surface de collection encore plus grande que celles actuellement en cours d'acquisition, comme l'Observatoire Pierre Auger ou Telescope Array. Avant d'augmenter la statis- tique, une bonne connaissance à la fois de l'énergie du rayon cosmique et de sa nature aidera à comprendre les mécanismes opérant à leurs sources. Concernant l'identification de la nature du rayon cosmique, des améliorations des détecteurs actuels sont en cours ou envisagées. Elles devraient permettre de mesurer certaines composantes spécifiques des gerbes atmosphériques comme par exemple la contribution électromagnétique, via le champ électrique émis par les électrons et positrons secondaires. Je présente dans cette HDR une revue des résultats actuels concernant le thème des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Après avoir présenté quelques résultats sur le mécanisme de Fermi pour accélérer les rayons cosmiques, j'aborde en particulier la re- construction des gerbes atmosphériques détectées par le réseau de surface de l'Observa- toire Pierre Auger ainsi que la recherche des sources, basée sur la connaissance fine de la couverture du ciel, impliquant une maîtrise des performances du détecteur. Je traite également en détails le signal radio émis par les électrons et positrons secondaires des gerbes, dans le domaine du MHz. Ce signal est étudié depuis le milieu des années 1960 mais la technologie n'en permet une exploitation complète que depuis les années 2000. Je propose un état des lieux de nos connaissances à travers les résultats des expériences actuelles 1 dans ce domaine. Les données montrent que le champ électrique est princi- palement dû à l'influence du champ magnétique terrestre agissant sur les électrons et positrons mais plus récemment, la contribution due à l'excès l'électrons semble appa- raître dans les données. Enfin, je présente nos dernières avancées dans le domaine de la simulation du champ électrique, avec notamment la prédiction d'un signal nouveau, produit par la disparition de la gerbe atmosphérique lors de son absorption dans le sol.

Les rayons cosmiques d'ultra-hautes énergies (RCUHE), i.e. E > 1 EeV, soulèvent de nombreuses interrogations quant à leur origine et constituent un défi à la physique contemporaine. Ces rayons cosmiques qui pénètrent dans l'atmosphère dissipent leur exceptionnelle énergie dans la formation de gerbes de particules secondaires dont le développement est sensiblement différent suivant la nature de la particule primaire. L'étude de la composition des RCUHEs revêt donc un intérêt majeur tant dans la compréhension des processus hadroniques qui régissent l'évolution des gerbes que dans l'identification des sources de ce rayonnement. L'Observatoire Pierre Auger peut, eu égard à sa structure hybride et à la taille inégalée de son réseau de détecteurs au sol, apporter des réponses claires aux problématiques soulevées par les RCUHEs. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la composante muonique des gerbes atmosphériques. Dans un premier temps, nous montrons comment les paramètres hadroniques conditionnent la production de muons. Par la suite, nous présentons une méthode originale permettant d'extraire cette composante muonique et d'en déduire les implications relatives à la composition des RCUHEs. Les résultats de cette approche semblent indiquer une transition d'une composition lourde vers une composition plus légère dès lors que l'énergie augmente. Finalement nous abordons la mesure de la section efficace cosmique-air en décrivant les bases de cette étude de même que son champ d'application : les premiers résultats déduits des données de l'Observatoire Pierre Auger sont alors présentés.

Depuis plus d’un siècle, les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (RCUHE), ayant une énergie supérieure à 1018 eV, continuent d’entretenir le mystère : Quelle est leur composition ? D’où viennent-ils ? Comment atteignent-ils de telles énergies ? Ces particules chargées, suffisamment énergétiques pour atteindre la Terre, forment des gerbes de particules secondaires via leurs interactions avec l’atmosphère dont le développement est caractéristique de la nature de la particule primaire. L’observatoire Pierre Auger, avec sa structure hybride et son gigantesque réseau de détecteurs peuvent apporter des réponses. L’étude de la composition des RCUHEs a été étudiée avec le réseau de surface de l’observatoire Pierre Auger. Cette dernière est cruciale à la fois pour comprendre les interactions hadroniques, qui constituent le développement des gerbes, et pour identifier leurs sources. Cela peut également aider à comprendre l’origine de la coupure spectrale aux plus hautes énergies : s’agit-il de la coupure GZK ou à l’extinction des sources. Toutes ces raisons motivent la première partie de la thèse, à savoir la mise en place d’une méthode permettant d’extraire la composante muonique des gerbes atmosphériques et d’en déduire la composition. Les résultats de cette méthode montrent une dépendance de la composition avec la distance à l’axe de la gerbe, qui pourrait aider à améliorer les modèles hadroniques. Dans les conditions actuelles du réseau de surface, l’identification de la composante muonique présente des limites.La seconde partie est consacrée au nouvel observatoire en Chine, LHAASO. Ce projet s’intéresse à l’étude des gammas supérieurs à 30 TeV, qui signeraient l’accélération de proton dans la galaxie, donnant ainsi des informations indirectes sur les rayons cosmiques. D’autre part, l’observatoire vise à étudier les rayons cosmiques entre 10 TeV et 1 EeV, région où le spectre en énergie présente une rupture. Cette région nécessite de pouvoir discriminer les gammas des rayons cosmiques. A ce titre, l’un des détecteurs de LHAASO, le KM2A, a été simulé et son pouvoir de discrimination gamma/hadron évalué. / During the past century, ultra-high-energy cosmic rays (UHECR), those with an energy larger than 1018 eV, remain as a mystery: What are cosmic rays? Where do they come from? How do they attain their huge energy? When these charged particles strike the earth's atmosphere, they dissipate their energy by generating a shower of secondary particles whose development is significantly different depending on the nature of the primaries. The Pierre Auger observatory, with its hybrid structure and huge size network of ground detectors, can shed some light into these questions.The study of the composition of UHECR was performed with the Pierre Auger apparatus. This is crucial both to understand the hadronic interactions, which govern the evolution of showers, and to identify their sources. It can help to understand the origin of the energy spectrum cut-off: is it the GZK cut-off or the exhaustion of sources? These reasons motivate the first part of this thesis: the development of a method to extract the muonic component of air showers and deduce the implications on the composition of UHECR at the Pierre Auger observatory. The results of this method show a dependence of the composition with the distance to the axis of the shower, which could help to improve the hadronic models. The determination of the muon component is limited by the surface detector setup.The second part is devoted to the new observatory in China, LHAASO. This project focuses on the study of gamma rays with an energy higher than 30 TeV, which probe the acceleration of protons in the galaxy, providing indirect information on cosmic rays. Moreover, the observatory studies cosmic rays between 10 TeV and 1 EeV, one of the regions where the energy spectrum presents a break. This region requires the ability to discriminate gamma rays and cosmic rays. For this reason, one of the detectors of LHAASO, the KM2A, was simulated and its power of discrimination gamma/hadron evaluated.

La thématique des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHEs) est riche de mystères. Nous présentons l'état actuel des connaissances générales sur le sujet, ainsi que les apports et possibilités offerts par l'Observatoire Pierre Auger. Celui-ci nous a apporté plusieurs résultats majeurs dans le domaine : la mesure du spectre d'énergie au delà de quelques EeV et de la coupure à haute énergie avec une grande significativité, la mesure d'observables sensibles à la composition qui montrent un alourdissement avec l'énergie (ou une modification significative de la physique hadronique à la centaine de TeV !), et la mesure d'une anisotropie faible en dehors d'une région centrée sur une source remarquable mais pas forcément concernée, Centaurus~A. Dans la seconde partie de cette thèse, on étudie la propagation des RCUHEs depuis leur source dans le milieu extra-galactique. On étudie l'influence de la composition aux sources et des paramètres de l'accélération sur la forme des spectres à la Terre. On démontre la viabilité d'un modèle astrophysique satisfaisant, dit low-$E_{max}$, qui s'ajuste bien aux données du spectre et de la composition. Un outil numérique de propagation de protons/noyaux, notamment en présence de champs magnétiques, est également présenté dans ce cadre. Nous présenterons aussi (en quatrième partie) une étude indépendante des contraintes apportées par les données angulaires d'Auger sur la densité effective des sources de RCUHEs et leur déflexion dans les champs magnétiques. Une analyse des données par la méthode de percolation est également présentée, et démontre la faible anisotropie des données. Une partie entière est dédiée à la phénoménologie d'un messager secondaire : les photons. On expose leur propagation extra-galactique et l'outil numérique entièrement développé à ce sujet, que l'on intègre dans l'outil existant de propagation de protons/noyaux. Cette intégration aboutit à un code numérique global, véritablement multi-messagers (les neutrinos sont également traités), qui nous permet de disposer d'un outil complet, nous autorisant à fonder un modèle global de concordance capable de satisfaire l'ensemble des contraintes actuelles, dont les limites expérimentales connues sur le flux diffus de photons au TeV (par Fermi/LAT). Celui-ci est discuté dans le dernier chapitre. Nous terminons sur les perspectives offertes par la construction d'un modèle global de RCUHEs.