Cette thèse a pour sujet la modélisation mathématique de nouvelles méthodes expérimentales d'imagerie. Elle est divisée en deux parties. La première porte sur l'étude de techniques dites hybrides basées sur des interactions entre différents types d'ondes. La deuxième parte est consacrée à l'étude du comportement des nano-particules métalliques soumises à des champs électro-magnétiques. La première partie contient trois chapitres dans lesquels sont étudiés trois techniques d'imagerie différentes : - la tomographie magnéto-acoustique par force de Lorentz ; - la tomographie magnéto-acoustique par induction magnétique ; - l'élastographie par tomographie cohérente optique. Dans les deux premiers chapitres nous donnons un modèle mathématique explicite pour les expériences étudiées, ainsi que des formules explicites pour résoudre les problèmes inverses associés. Nous introduisons une méthode de reconstruction directe dite de « viscosité » permettant de reconstruire la conductivité électrique du milieu étudié. Dans le troisième chapitre nous proposons une méthode d'optimisation pour récupérer le module de cisaillement du milieu à partir de mesures d'un champs de déplacement. La deuxième partie contient deux chapitres dans lesquels sont étudiés la diffraction par de petites particules. Les phénomènes suivant sont abordés : - les résonances plasmoniques ; - la génération de seconde harmonique. Nous étudions les résonances plasmoniques dans le cadre d'une approximation petit volume. / In this thesis we study the mathematical modelling of new experimental imaging techniques. It is divided in two parts. The first one contains work on hybrid imaging techniques based on the interactions betwenn different types of waves. The second part is devoted to the study of the behavior of metallic nanoparticles embedded in electromagnetic fields. The first part contains three chapters in which three different imaging techniques are studied : - magneto-acoustic tomography by Lorentz force, - magneto-acoustic tomography with magnetic induction, - optical coherence tomography based elastography. In the first two chapters we give a mathematical model for the experiments studied as well as explicit reconstruction formulas for the associated inverse problems. We introduce a new direct reconstruction method ("viscosity method") allowing the recovery of the electrical conductivity of the medium. In the third chapter we give an optimisation method to reconstruct the shear modulus of the medium from a displacement field. The second part contains two chapters in which are studied the diffraction of light by small metallic nanoparticles. We study: - plasmonic resonances, - second harmonic generation. The plasmonic resonances are studied within the Maxwell frame. We give an asymptotic formula for the electromagnetic fields within a small volume approximation.

L’auto-assemblage de particules virales est un sujet de recherche qui suscite beaucoup d’intérêt dans le cadre de la physique de la matière molle, les mécanismes physiques d’auto-assemblage étant encore très mal compris. En particulier, le chemin cinétique à partir duquel les protéines virales interagissent avec le génome pour former des structures symétriques et monodisperses que sont les virus ne sont pas entièrement résolus. Dans une première partie de cette thèse, nous utilisons la technique de diffusion des rayons X aux petits angles résolue en temps (Time-Resolved Small-Angle X-Ray Scattering, TR-SAXS en anglais) pour observer les cinétiques d’auto-assemblage et de désassemblage de capsides vides formées à partir des protéines du virus de la marbrure chlorotique de la cornille (CCMV en anglais). Des modèles de cinétique chimique couplés à des concepts théorique de diffusion aux petits angles sont conçus pour extraire les intermédiaires de réaction, leur structure et leur temps de vie caractéristique. L’encapsulation d’ARN simple brin avec les protéines virales du CCMV est également étudiée dans cette thèse. A un pH neutre où les protéines ne s’assemblent pas spontanément pour former des capsides vides, des images de microscopie électronique montrent qu’il y a une population de complexes nucléoprotéiques désordonnés qui coexistent avec des capsides virales bien formées. De plus, les données de cinétique de TR-SAXS suggèrent que l’assemblage protéine-acide nucléique subit une réorganisation structurale dans laquelle les protéines rendent le complexe nucléoprotéique plus compact lorsqu’elles s’attachent à l’ARN. En milieu acide, les objets sont plus ordonnés, comme le suggère les images de microscopie électronique. Ces observations suggèrent que l’encapsulation d’ARN et la formation de virus avec leur haut degré de symétrie est probablement un assemblage à deux étapes, la première étant la formation du complexe nucléoprotéique et la deuxième l’acidification du milieu. / Viral assembly is an intriguing topic of biophysics that can be studied using concepts of soft matter physics. Although huge efforts have been made to synthesize hybrid or non-hybrid supramolecular assemblies with viral proteins, the fundamental mechanisms of self-assembly are yet poorly understood. In particular, the kinetic pathway in which the proteins interact with the genome to form highly symmetrical monodisperse architectures are not completely solved.In the first part of this thesis, the Time-Resolved Small-Angle X-Ray Scattering (TR-SAXS) technique is used to probe the kinetics of both self-assembly and disassembly of empty capsids built up from the proteins of the Cowpea Chlorotic Mottle Virus (CCMV). Chemical kinetics models coupled with concepts of SAXS theory are devised in order to extract information about the nature of the reaction intermediates, their structure and their typical lifetime. The encapsulation of ssRNA with CCMV capsid proteins is also examined in this thesis. At neutral pH where the capsid proteins do not spontaneously assemble in vitro into empty spherical capsids, electron microscopy images show that there is a non-negligible population of disordered nucleoprotein complexes that coexist with well-formed spherical viruses. Additionally, TR-SAXS kinetic data suggest that the protein-nucleic acid assembly undergoes a structural reorganization in which the capsid proteins make the nucleoprotein complexes more compact as they simultaneously bind the RNA. Upon acidification, the particles are well-formed viruses as suggested by electron microscopy images. These findings suggest that the encapsulation of RNA into well-formed viruses is likely a two-step assembly with a binding step and an acidification step.

Malgré un succès expérimental incontestable, le Modèle standard (MS) de la physique des particules laisse de nombreuses questions fondamentales sans réponse, comme le problème de hiérarchie et l’origine de la matière noire, motivant l’étude de la « nouvelle physique ». Le Modèle Standard Supersymétrique Non-Minimal (MSSNM) est une extension très intéressante du MS répondant à ces deux problèmes. Il comprend une riche phénoménologie, en principe accessible au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). En particulier, son secteur de Higgs est étendu par rapport au MS, générant six scalaires. Le but de cette thèse est d’étudier le potentiel de découverte de ces bosons de Higgs supplémentaires au LHC. Après une introduction du MSSNM et de ses motivations, nous étudions d’abord les perspectives de découverte d’un scalaire, plus léger que la résonance à 125 GeV mise en évidence au CERN, en passant en revue ses possibles modes de production et de détection dans les phases à venir du LHC, et ses possibles impacts sur les couplages du boson de Higgs du MS. Ensuite, les perspectives de recherche via les cascades de Higgs, impliquant des bosons de Higgs supplémentaires légers et lourds, est présentée. Des études détaillées au moyen de méthodes Monte-Carlo ont été réalisées, et de nouvelles analyses dédiées sont présentées. Ces derniers résultats ne sont pas restreints au MSSNM, et peuvent être interprétés dans une large classe de modèles. / Despite its incontestable experimental success, the Standard Model of particle physics leaves unanswered many fundamental questions like the hierarchy problem and the origin of dark matter, motivating the study of physics beyond its scope. The NMSSM is a well-motivated extension of the SM addressing these two issues. It features a rich phenomenology accessible, in principle, at the LHC. In particular, the Higgs sector of the NMSSM is extended with respect to the SM giving rise to six scalars. It is the aim of this thesis to study the discovery potential of these extra Higgs bosons at the LHC. After introducing the NMSSM and its motivation, we first study the discovery prospects for a scalar lighter than the 125 GeV resonance found at CERN, reviewing its possible production and detection at the upcoming runs of the LHC and its possible impact on couplings of the Standard Model Higgs boson. Next, prospects for searches via Higgs cascades involving extra light and heavy Higgs bosons are presented. Detailed studies by means of Monte Carlo methods are performed, and new dedicated analysis are proposed. These last results are not confined to the NMSSM and can be interpreted in a wide class of models.

Les suies de combustion sont principalement connues pour leur caractère nocif, dans le cas des feux de forêt, de fumées de cheminées ou d'émissions polluantes d'un tuyau d'échappement. Cependant, le noir de carbone, un produit industriel de combustion d'hydrocarbures largement utilisé dans notre vie quotidienne. La surface d'une particule de suies ou de noir de carbon joue un rôle important tant au niveau de son utilisation que de son effet nocif. Il est donc important de connaître la masse, le volume ainsi que la morphologie des suies. En particulier, la surface des particules est un paramètre important pour prédire leur utilisation ainsi que leur effet nocif. Les suies sont généralement des agrégats présentant une structure fractale constituée d'éléments de forme sphérique, appelés particules primaires. Il est possible de connaître la surface des agrégats à partir de la distribution en taille de particules primaires (PPSD-Primary particules size distribution). Compte tenu de l'intérêt grandissant pour la surface des particules et leurs évolutions, il est aujourd’hui nécessaire d'étendre les modèles numériques pour la prévision de la PPSD. De plus, comme la taille des la particules primaires influence les processus chimiques et les processus de collision, la prise en compte de ce paramètre peut améliorer les prévisions des modèles. Les flammes multidimensionnelles laminaires, comme les flammes de diffusion, sont moins complexes que les flammes rencontrées dans les systèmes de combustion industriels. Cependant, les processus de formation de suies sont analogues dans les deux cas, ce qui rend l'étude de ces flammes intéressante. Afin d'obtenir une description détaillée des processus chimiques ayant lieu dans ces flammes tout en maintenant le coût de calcul à un niveau abordable, l'utilisation de modèles sectionnels discrets chimiques (CDSchemical discret sectional methods) est un choix approprié. Le développement de modèles CDS est au coeur de cette thèse. D'abord, une stratégie numérique pour déterminer la taille des particules primaires est présentée dans le contexte des modéles CDS. Elle repose sur la résolution d'une équation de transport pour la densité en nombre de particules primaires pour chaque section d'agrégats considérée. Pour valider la taille des particules primaires déterminée numériquement, les résultats doivent être comparés avec des données expérimentales obtenues via la technique d'Incandescence Induite par Laser résolue temporellement (TiRe-LII). Cette comparaison, dite inverse, est affectée par les incertitudes expérimentales et les hypothèses sous-jacentes au post-traitement du signal TiRe-LII pour obtenir la PSD. Pour améliorer la stratégie de validation, une nouvelle approche, dite directe, est proposée pour la validation de la PPSD à partir des données obtenues par TiRe-LII. Elle est basée sur la reconstruction numérique de l'évolution temporelle du signal d'incandescence à partir des résultats numériques et de sa comparaison avec le signal mesuré. L'efficacité de l'approche proposée est démontrée a priori en évaluant l'erreur potentiellement évitée par la nouvelle stratégie. Le modèle proposé pour le suivi des particules primaires est ensuite validé en utilisant à la fois les approches ’directe’ et ’inverse’ sur les flammes cibles issues de l'International Sooting FlameWorkshop (ISF): une flamme pré-mélangée éthylèneair et une flamme de diffusion coflow avec deux dilutions différentes. Le caractère général du modèle est discuté en effectuant une étude de sensibilité des résultats aux paramètres du modèle même. Enfin, le modèle est utilisé pour comprendre l'effet de la dilution du combustible sur la taille des particules primaires dans les flammes de diffusion en examinant les corrélations possibles entre phase gazeuse et phase solide ainsi que l'évolution temporelle des particules le long de leur trajectoires. / An image appearing when the phrase soot is heard is the smoke emitted by an exhaust pipe. The imperfect combustion of hydrocarbon fuels is a source of this harmful pollutant. The industrially controlled combustion of hydrocarbons can provide the carbon black, an industrial product widely used in our everyday life. For both its utilization and its harming effect, the surface of these combustion generated particles plays an important role, therefore, it is of interest to possess information on the particle morphology beside its mass or volume. Soot particles were found, at various conditions, to have a fractal-like structure built up from spherical shape building blocks, socalled primary particles. This increased interest in the particle surface and its evolution gives the motivation to extend numerical models to provide related information, i.e. particle surface or primary particle size. Furthermore, as the primary particle size influences the chemical and collisional processes, accounting for this parameter can improve the model predictions. The requirements for numerical models are various depending on the purpose of the simulation. Multidimensional laminar flames, like a laminar coflow diffusion flame, are less complex than flames of industrial combustion systems. However, the soot formation processes are analogous in the two cases, therefore, the investigation of these flames are of interest. In order to obtain a detailed description of the chemical processes, while keeping the computational cost in these flames at an affordable level, using chemical discrete sectional models is a suitable choice. As in their current version, these models do not provide information on the primary particle size their development in this direction is of interest. Guided by the above motivation, a numerical strategy to determine the primary particle size is presented in the context of the chemical sectional models. The proposed strategy is based on solving the transport equation of the primary particle number density for each considered aggregate section. In order to validate numerical primary particle size, the comparison to experimental data is required. Due to its numerous advantages, the Time-Resolved Laser-Induced Incandescence (TiRe-LII) technique is a nowadays popular experimental method. However, the comparison of the numerically and the experimentally obtained primary particle size may be charged with uncertainties introduced by the additional measurements or assumptions of the numerous parameters required to derive primary particle size from the detected signal. In order to improve the validation strategy, an additional approach for primary particle size distribution validation with TiRe-LII is proposed. This is based on the reconstruction of the temporal evolution of incandescence from the numerical results and its comparison with the measured signal. The effectiveness of this ’forward’ method is demonstrated a priori by quantifying the errors potentially avoided by the new strategy. The validity of the proposed primary particle tracking model is tested by both the traditional ’inverse’ and the ’forward’ method on target flames of the International Sooting Flame (ISF) Workshop. In particular a laminar premixed ethylene flame is considered first. Then, two laminar coflow ethylene flames with different dilutions are put under the scope. The sensitivity to the model parameters, such as accounting for the surface rounding and the choice of smallest aggregating particle size, is explored in both the premixed flame and in the coflow flame with highest ethylene content. To understand the effect of the fuel stream dilution on the primary particle size in the coflow flame, first, the flame-flow interaction and the effect of the dilution on the flame structure is investigated. [...]

Le Large Hadron Collider (LHC) fonctionne à une énergie dans le centre-de-masse de 13 TeV, atteignant ainsi des énergies bien au-dessus de l'échelle électrofaible. Pour la première fois, des particules lourdes sont produites dans le régime boosté, c'est-à-dire avec une impulsion transverse beaucoup plus grand que leur masse. Leur produits de désintégration hadronique sont collimatés et finisseent par être regroupé dans un seul jet. Dans cette situation, il n'est pas facile de discriminer le signal des particules lourdes du bruit de fond formé par des jets originés par les partons, il faut examiner la dynamique interne du jet avec des techniques de sous-structure des jets. Les outils de la sous-structure de jet sont divisés en trois catégories : « Jet shapes » qui contraient la radiation des gluons mous dans le jet ; « Taggers » qui cherchent plusieurs cœurs d'énergie dans le jet, une situation plus courant dans les jets de signaux que dans les jets QCD ; et les « Groomers » qui éliminent la radiation molle et à grand angle dans le jet, souvent dominés par l'événement sous-jacent.Dans cette thèse, on propose une approche analytique qui nous permet de comprendre les sources des différences de performance entre les méthodes. On utilise des techniques de resommation à tous les ordres en théorie des perturbations, pertinentes pour les régimes bostés où l'échelle de masse et de l'impulsion transverse sont largement séparées. On motive le besoin de resommation et on introduit les éléments de base qui sont utilisés tout au long de la thèse. Cette thèse se concentre sur les jets à deux cœurs, comment les bosons W/Z/H.Premièrement, on explore comment un tagger spécifique, le Y-splitter, peut être combiné avec une variété de techniques de grooming : le MassDrop Tagger (mMDT), trimming et SoftDrop. Selon des études Monte Carlo, cette combinaison augmente la performance du Y-splitter. On explique l’origine de se comportement par des calculs théoriques et étudie l'impact des effets non-perturbatives. On présente également des variantes améliorées de la méthode Y-Splitter originale.Ensuite, on étudie l'utilisation des jet shapes comment une variable discriminante entre les désintégrations hadroniques à deux cœurs des bosons électrofaibles et le bruit de fond des jets QCD. On calcule analytiquement la distribution de masse avec une coupure sur la variable jet shape. On considère 3 shapes couramment utilisées : N-subjettiness, « Energy Correlation functions » et le paramètre MassDrop. Nos résultats expliquent la différence entre les performances des différentes méthodes. On compare également nos résultats aux générateurs de Monte Carlo et on étudie l'impact des effets non-perturbatifs.Notre étude suivant examine la combinaison des techniques de grooming/tagging avec des jet shapes, en particulier le N-subjettiness. On propose le rapport dichroïque de N-subjettiness, où on utilise un gros jet (avec ou sans pre-grooming) pour calculer tau ₂ et un jet plus petit, avec tagging pour tau₁. Cette version donne une performance améliorée par rapport aux versions utilisées actuellement par les expériences, tout en maintenant les effets non-perturbatifs sous contrôle.Enfin, on effectue une étude phénoménologique de la distribution de masse des jets avec mMDT. Ceci est actuellement mesurée par des expériences au LHC. Nos prédictions théoriques prennent en compte les logarithmes dominants du rapport de la masse de jet sur l'impulsion transverse et on fait le « matching » avec les éléments de matrice à ordre fixe calculés au NLO. On discute deux options possibles, selon que les distributions sont mesurées dans des bins de l'impulsion transverse avant ou après le mMDT. / The Large Hadron Collider (LHC) is running at a center-of-mass energy of 13 TeV, thus reaching energies far above the electroweak scale. For the first time, heavy particles are produced in the boosted regime, i.e. with transverse momentum much larger than their mass. Their hadronic decay products are collimated and end up being clustered into a single jet. In this situation is not easy to discriminate the heavy particle signal from the background, formed by jets originated from QCD partons, so one has to examine the internal dynamics of the jet using jet substructure techniques. Jet substructure tools are divided in three main categories: Jet shapes, which constrain soft-gluon radiation inside jets; Taggers which look for multiple hard cores inside the jet, a situation more common in signal jets than in QCD jets; and Groomers which clean the fat jets of soft-and-large-angle radiation, often dominated by the underlying event.This thesis proposes an analytical approach which allows us to understand the sources of performance differences between methods. We will use all-order resummation techniques, relevant for the boosted regime where the mass and transverse-momentum scale are widely separated. We motivate the need for resummation and introduce the basic elements (building blocks) that are used throughout the thesis. In this thesis, we focus on two-pronged jets, like W/Z/H decays.We first study how a specific tagger, namely Y-splitter, can be combined with a variety of grooming techniques: the modified MassDrop Tagger (mMDT), trimming and SoftDrop. It is known from Monte Carlo studies that such combination increases the Y-splitter performance. We study the origin of this behaviour from a theoretical point of view and the impact of non-perturbative effects. We also introduce improved variants of the original Y-splitter method.Next, we study the use jet shapes as a discriminant variable between two-pronged hadronic decays of electroweak bosons and the QCD jets background. We compute analytically the jet mass distribution with an additional cut on the jet shape variable. We obtain results for 3 common shapes: N-subjettiness, Energy Correlation function and MassDrop parameter. Our results explain differences in discriminating power between the shapes. We also compare our results to Monte Carlo generators and study the impact of non-perturbative effects.Our next study investigates the combination of grooming/tagging techniques with jet shapes, in particular N-subjettiness. In this work, we propose the dichroic N-subjettiness ratio, where we use a large jet (with or without a pre-grooming step) for calculating tau ₂ and a smaller, tagged subjet for tau₁. This observable gives an enhanced performance compared to the variants currently used in experimental analyses, while keeping non-perturbative effects under control.Finally, we perform a phenomenological study of the jet mass distribution after applying the mMDT. This is currently being measured by LHC experiments. Our theoretical predictions account for the resummation of the leading-logarithm of the ratio of the jet mass over the jet transverse momentum and it is matched to fixed-order matrix elements computed at next-to-leading order. We discuss two options according to whether the distributions are measured in bins of the jet transverse momentum before or after the mMDT.

Bien que représentant plus d’un quart de la distribution en énergie de notre Univers ainsi que la majorité (84\%) de la masse de celui-ci, la nature de la matière noire n’a pas encore été percée à ce jour. Dans cette thèse, il sera supposé que la matière noire est une nouvelle particule élémentaire, stable et dont la connexion (hors interactions gravitationnelles) avec le secteur visible est réalisée grâce à une autre particule, le médiateur. Au sein de ces lignes, la matière noire sera supposée être un fermion de Dirac et le médiateur un boson (vecteur ou scalaire), ce dernier étant choisi comme étant plus léger que la matière noire. Cette thèse propose d’explorer les aspects infrarouges de la production de la matière noire dans l’Univers primordial, le potentiel de détection d’une importante classe de candidats dits \enquote{freeze-in}, caractérisés par de très faibles interactions avec le Modèle Standard, auprès des expériences de détection directe et l’effet des auto-interactions de la matière noire sur son comportement superfluide dans les régions de haute densité de matière noire (halos, capture par des astres compacts) asymétrique. Sous ces hypothèses, premièrement, une étude exhaustive des différents mécanismes de production de la matière noire est réalisée, illustrée dans un modèle où le médiateur est un photon du secteur caché, issu d’un nouveau groupe de jauge U(1)’, qui mélange de façon cinématique avec le photon du Modèle Standard. En particulier, de nouveaux canaux de production sont mis en avant, nommément \textit{freeze-in from mediator} et \textit{sequential freeze-in}. Ceux-ci correspondent à des scénarios où la matière noire est très faiblement couplée au Modèle Standard, n’atteint jamais l’équilibre avec celui-ci dans l’Univers primordial et est produit petit à petit par des annihilations de médiateurs (en équilibre ou non avec le Modèle Standard). Il est ensuite montré que pour l’important et très attractif cas d’une matière noire milli-chargée (ainsi que pour des scénarios où le médiateur n’est pas plus massif que 40 méga-electronvolt), l’expérience de détection indirect Xenon1T contraint aujourd’hui l’espace des paramètres de la phase de freeze-in de ces modèles, et est, dans cette région de l’espace des paramètres, la contrainte la plus importante. Une réinterprétation des limites sur les interactions indépendantes du spin matière noire – nucléon est par ailleurs nécessaire, détaillée et validée. Dans la seconde partie de la thèse, l’effet des auto-interactions dans les scénarios de matière noire asymétrique est exploré. Sous l’hypothèse qu’un halo (galactique ou non) de matière noire atteint l’équilibre thermodynamique à très basse température (comparée à sa masse) et développe donc un potentiel chimique fini, des interactions matière noire – matière noire au voisinage de la surface de Fermi peut entraîner la formation de condensats, de transitions de phase du milieu et dès lors modifier drastiquement l’équation d’état du halo. Un système d’équations auto-consistant pour les condensats est présenté et résolu numériquement. Ensuite, la thermodynamique du système de gaz interagissant est explorée. Finalement, les interactions gravitationnelles sont considérées et les configurations auto-gravitantes, prenant en compte l’ensemble des auto-interactions, sont déterminées et leurs aspects phénoménologiques sont explorés.Even though dark matter represents more than a quarter of the energy budget of our Universe and the majority (84\%) of its mass, the nature of dark matter has not yet been unravelled. In this thesis, it will be assumed that dark matter is a new elementary particle, stable and whose connection (on top of gravitational interactions) with the visible sector is realized through another particle, the mediator. In this thesis, dark matter will be assumed to be a Dirac fermion and the mediator will be a boson (either vector or scalar). This thesis proposes to explore infrared aspects of the production of dark matter in the primeval Universe, aspects of detection of the important class of feebly coupled \enquote{freeze-in} candidates at direct detection experiments and aspects of condensed matter physics such as superfluidity in region of high dark matter density (halos or inside compact objects such as neutron stars). Under these hypothesis, we will first detail an exhaustive study of the possible thermal mechanism of dark matter production, illustrated in a model where the mediator is a dark photon, arising from a new $U\left(1\right)'$ gauge group, which kinematically mixes with the Standard Model photon. In particular, new production channels are put forward, namely the \textit{freeze-in from mediator} and \textit{sequential freeze-in}. They correspond to scenarios where dark matter is very feebly coupled to the Standard Model, do not reach equilibrium with the visible sector thermal bath in the Early Universe and are slowly produced by mediator annihilations (in-equilibrium or not with the Standard Model). It is then showed that for the popular case of a millicharged dark matter ( and for scenarios in which the mediator mass is not bigger than $40$ mega electronvolt), the direct detection experiment XENON1T constrains today the freeze-in parameter space of such models and is the strongest constraint overall for such candidates. A recast of the bounds on spin-independent dark matter$-$nucleon interactions was needed and we validate our procedure against other recast. In the second part of this thesis, the effects of self-interactions in asymmetric dark mater scenarios are explored. Under the hypothesis that a dark matter halo reaches thermodynamic equilibrium at very low temperature (compared to its mass) and develops a finite chemical potential, dark matter$-$ dark matter interactions at the vicinity of the Fermi surface can lead to the formation of condensates, to phase transitions and therefore modify drastically the equation of state of the halo. A self-consistant set of equations for the condensates is presented and solved numerically. The thermodynamics of the interacting dark matter cloud is also explored. Finally, gravitational interactions are considered and self-gravitating configurations of halos, taking into account self-interactions, are determined and their phenomenological aspects is explored. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’étude du processus Drell-Yan, ou la production dans des collisions entre hadrons à haute énergie d’une paire de leptons par l’intermédiaire d’un boson Z ou ɣ virtuel, est un moyen privilégié pour comprendre les mécanismes de production de particules massives comme le boson de Higgs. Dans cette thèse, les données collectées en 2016 par l’expérience CMS dans les collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV dans le système du centre de masse, correspondant à une luminosité intégrée de 36,3 fb⁻¹, sont utilisées pour réaliser une mesure de précision de section efficaces du processus Drell-Yan différentielles en l’impulsion transverse de la paire de leptons, pour des masses invariantes de la paire allant de 50 à 1000 GeV.La mesure utilise les canaux comprenant deux électrons ou deux muons, qui ont l’avantage d’être aisément identifiables expérimentalement et, ainsi, de permettre des mesures précises de sections efficaces. Au total, environ dix millions d’événements comprenant deux électrons et vingt millions d’événements comprenant deux muons sont analysés. L’extension de l’analyse précédente de la collaboration CMS, limitée en masse invariante à l’intervalle entre 76 et 106 GeV, requiert un meilleur contrôle des bruits de fond, plus importants en-dessous de 76 et au-dessus de 106 GeV que dans l’intervalle précédemment considéré. La contribution dominante, la production d’une paire de quarks top se désintégrant en leptons, est étudiée en détail, ainsi que la contamination des données par des électrons mal identifiés. Après prise en compte de l’efficacité de détection, les résultats obtenus dans les deux canaux sont compatibles et sont combinés en une unique mesure.La précision obtenue, de l’ordre du pourcent, dans des régions jusqu’ici peu explorées permet d’obtenir de nouvelles contraintes sur des modèles largement utilisés en physique des particules. À cette fin, la mesure est comparée à six prédictions illustrant différentes approches pour la prédiction du spectre en impulsion transverse. Malgré d’assez bonnes performances générales, aucune d’entre elles ne permet une description complète des données après prise en compute des incertitudes théoriques et expérimentales. C’est en particulier le cas à grande masse invariante ou lorsqu’un jet est identifié dans l’état final. Certaines approches encore peu répandues obtiennent de meilleurs résultats dans les régions qu’elles visent spécifiquement. De nouveaux développements théoriques seront nécessaires pour combiner celles-ci afin d’obtenir des prédictions fiables dans l’ensemble de l’espace des phases. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les travaux numériques et expérimentaux de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de la dynamique de grosses particules dans un écoulement turbulent. Un premier volet m’a permis de quantifier leur mouvement relatif au fluide, ainsi que leur influence locale sur l’écoulement turbulent. Dans un second volet, j'ai trouvé que l'effet collectif des particules est d'atténuer l’amplitude des fluctuations turbulentes. En revanche, celles-ci n’ont pas d’influence sur les propriétés statistiques fines de l’écoulement. Aussi, ces mesures suggèrent l’existence d’une transition de phase dans les grandes échelles de l’écoulement au-delà d’un seuil critique du nombre de particules. / The numerical and experimental work of this thesis contribute to a better understanding of the dynamics of large particles in a turbulent flow. The first part allowed me to quantify their relative motion to the flow and their local influence on the surrounding flow. In a second part, I found that the collective effect of particles is to reduce the amplitude of turbulent fluctuations. In revanche, they have no influence on the fine statistical properties of the flow. Also, these measurements suggest the existence of a phase transition in the larger scales of the flow beyond a critical threshold of the number of particles.

Les accélérateurs de particules hyperfréquences sont au cœur de projets d’envergure aux visées scientifiques (comme l’European Spallation Source) ou énergétiques (comme le réacteur hybride MYRRHA). Pour ces applications, les cavités résonnantes composant ces accélérateurs doivent atteindre des champs accélérateurs très importants. Elles ont alors besoin d’une grande puissance RF. Le coupleur de puissance doit permettre d’injecter cette puissance dans la cavité tout en garantissant une grande fiabilité. L’étude d’un coupleur à 704,4MHz a été réalisée. Les comportements radiofréquences, thermiques et mécaniques ont été modélisés pour une puissance de 50kW en réflexion toutes phases. Les performances simulées permettent d’envisager son utilisation comme coupleur pour les cavités elliptiques de l’ADS MYRRHA. L’industrialisation d’un tel coupleur a également été étudiée. Cette étude a donné lieu à la fabrication de deux prototypes. L’étude d’un coupleur à 352MHz a également été réalisée afin de répondre aux exigences de la cavité SPOKE ESS. Un nouveau processus d’assemblage, impliquant une méthode de précontrainte de la céramique, sera exposé. Ce processus diminue le nombre d’étapes de fabrication et renforce mécaniquement la fenêtre du coupleur. Cette thèse a également permis la validation de l’extension aux ondes progressives d’un logiciel de simulation 3D du multipactor : Musicc3D. Les simulations et les mesures ont été favorablement comparées pour les coupleurs SPIRAL2 et XFEL. / Nowadays, the number of projects aiming at building high intensity proton linear accelerators is increasing thanks to a large field of applications: particles & nuclear physics, spallation sources and some applications in material sciences, biology and nuclear waste reprocessing. All these linear accelerator projects are based on superconducting technology that allows high accelerating gradients in continuous mode. The RF power coupler is one of the main components of the accelerator. It is designed to transmit the radio frequency power from the waveguide at room temperature to the cavity at 4 Kelvin with high reliability. In this thesis, a study of a 704.4MHz power coupler was carried out. The RF, thermal and mechanical behaviors of the coupler were simulated for 50kW full reflection continuous wave. This power coupler could be used as RF injector for MYRRHA elliptical cavities. The fabrication process has been established and two prototypes were build. A study of a 352MHz power coupler was also carried out to fulfill ESS Spoke cavities needs. The obtained design satisfies the specifications and lowers the maximum electric field in the power coupler window compared to existing design. Then a new fabrication process was developed using prestressed ceramic. Brazing operations have halved with this new process. It was shown that the prestressed could enhance the strengths ceramic. The last study in this thesis consisted in validating an extension to progressive waves of 3D simulation software of Multipacting, Musicc3D. The results obtained were favorably compared to the measurements for SPIRAL2 and XFEL power couplers.

On étudie le transport et la dispersion hydrodynamique d’un traceur passif et/ou d’une suspension de particules dans deux fractures modèles avec deux parois lisses ou avec une distribution aléatoire d’obstacles dans l’ouverture. On utilise un écoulement oscillant d’un fluide newtonien afin d’observer les effets sur la dispersion de la réversibilité du déplacement. On caractérise de manière quantitative l’influence des paramètres caractéristiques de l’écoulement: période T et amplitude A des oscillations et temps caractéristique τ_m de diffusion moléculaire sur l’épaisseur.Dans le cas de parois lisses, on montre que les régimes de dispersion sont déterminés par le rapport τ_m/T . Pour τ_m/T≤2, le régime de dispersion de Taylor est dominant et irréversible à l’échelle globale. Pour τ_m/T≥20, on a un régime partiellement réversible pour lequel le mélange reste diffusif à l’échelle globale mais où, localement, la distribution des particules de traceur dans l’épaisseur suit les oscillations de la vitesse locale v_x (z,t) . Dans ce cas, il existe une composante purement convective et réversible de la dispersion.Dans le cas d’une cellule rugueuse, le désordre induit par les obstacles fait apparaitre une composante de dispersion géométrique quand τ_m/T≤0,6, pour laquelle la dispersivité normalisée par l’amplitude l_d/A ne dépend pas de la période T. On observe le régime de dispersion de Taylor dans une gamme 〖0,8≤τ〗_m/T≤1 dépendant de l’amplitude de l’oscillation. Lorsque τ_m/T≥20, on observe le régime de dispersion partiellement réversible déjà observé précédemment dans la cellule lisse. En comparant ces mesures avec celles obtenues par des techniques complémentaires (écho et transmission), on a pu séparer la composante irréversible de la dispersion de la composante réversible associée à des chenaux macroscopiques d’écoulement préférentiel dus à la géométrie de la fracture. L’influence sur la dispersion de particules de 40 µm de diamètre en suspension dans l’écoulement oscillant a été ensuite étudiée dans la cellule lisse. La mesure globale de dispersion a mis en évidence les mêmes régimes d’écoulement qu’en l’absence de particules avec des domaines d’existence déterminés, comme dans ce cas, par la valeur du rapport τ_m/T.Pour mieux comprendre l’origine microscopique des résultats, nous avons suivi les trajectoires individuelles des particules dans un écoulement oscillant. Leur mouvement et la distribution de leurs vitesses ont été mesurés dans plusieurs couches à différentes distances dans l’épaisseur. On observe que les particules suivent les lignes de courant et que le profil de leurs vitesses dans l’épaisseur a la forme parabolique d’un profil de Poiseuille. Par ailleurs, nous avons comparé les distributions des particules après un certain nombre d’oscillations à celles au temps initial et observé, pour de longues périodes T, une migration des particules vers les parois de la cellule. Enfin, certaines particules présentant une réversibilité cinématique de leur mouvement, avec des allers retours suivant la même trajectoire, même en présence d’interactions entre elles.Enfin, en augmentant la concentration des particules, on observe une structuration de la suspension en bandes perpendiculaires à l’écoulement. On a étudié la longueur d’onde λ de cette instabilité en fonction de paramètres géométriques (épaisseur H et largeur de la cellule, diamètre des particules), physiques (viscosité et densité du fluide, densité des particules) et de l’écoulement (variation sinusoïdale ou carrée du débit, amplitude A et période T). La longueur d’onde normalisée λ/H augmente linéairement avec l’amplitude normalisée A/H mais est constante avec T et H et avec le diamètre des particules. Au niveau local, l’instabilité correspond à des variations périodiques de concentration suivant la largeur de la cellule et présentes dans toute l’épaisseur. / We study the transport and the hydrodynamical dispersion of a passive tracer and/or a suspension of non-Brownian particles in two model fractures with smooth walls or a random distribution of obstacles in the aperture. We use an oscillating flow of a Newtonian fluid in order to study the effects of the reversibility of the displacement on dispersion. We characterize quantitatively the effects of the characteristic parameters of the flow: period T and amplitude A of the oscillations, and characteristic time τ_m of molecular diffusion across the thickness of the cell.In the case of smooth walls, we show that the dispersion regimes are determined by the value of the ratio τ_m/T. For τ_m/T≤2, the Taylor dispersion mechanism is dominant and irreversible at the global scale. For τ_m/T≥20, one has a partly reversible regime in which mixing remains diffusive at the global scale but, locally, the distribution of the particles in the thickness of the cell follows the oscillations v_x (z,t) of the local velocity. In this case, there exists a purely convective and reversible dispersion component.In the case of a cell with rough walls, flow disorder due to the obstacles results in a geometrical dispersion component when τ_m/T≤0,6, for which the dispersivity normalized by the amplitude l_d/A does not depend on the period T. The Taylor dispersion regime is observed in a range 0,8≤τ_m/T≤1 depending on the amplitude of the oscillation. When τ_m/T≥20, one obtains the partly reversible dispersion regime already observed previously for the smooth cell. Comparing these results to those obtained by complementary techniques (echo and transmission) allows us to separate the irreversible component of dispersion from the reversible one associated to macroscopic preferential flow channels due to the fracture geometry.The influence on dispersion of a suspension of 40 µm diameter non Brownian particles in the oscillating flow has then be studied in the cell with smooth walls. The global tracer dispersion measurements have shown the same dispersion regimes than without particles with domains of existence determined, like in this latter case, by the value of the ratio τ_m/T.In order to understand better the origin of these results at the microscopic scale, we tracked the individual trajectories of the particles in an oscillating flow. Their motion and the distribution of their velocities have been measured in several layers at different distances from the walls in the cell thickness. The particles are observed to follow the flow liens; the profile of their velocities in the thickness displays the parabolic shape of a Posieuille profile. Moreover, we compared the distribution of the particles after a certain number of oscillations to those at the initial time and observed, for long periods T, a migration of the particles towards the vicinity of the cell walls. Moreover, the motion of some particles display a kinematic reversibility and follow the same trajectory for both directions of the flow, even when there are interactions with the others.Finally, when the concentration of the particles is increased, one observes a structuration of the suspension into bands perpendicular to the flow. The wavelength λ of this instability has been studied as a function of geometrical (thickness H and width of the cell, particle diameter) and physical parameters (viscosity and density of the fluid, particle density) and of the characteristics of the flow (sine or square wave variation of the flow, amplitude A et period T). The normalized wavelength λ/H increases linearly with the normalized amplitude A/H but is constant with T and H and with the particle diameter. At the local level, the instability corresponds to periodic variations of the particle concentration along the length of the cell which extend across its whole thickness H. / Se estudió el transporte y dispersión hidrodinámica de un trazador pasivo y/o de una suspensión de partículas en una fractura de paredes lisas y en otra, con una distribución aleatoria de obstáculos en su espesor. Se utiliza un flujo oscilante de un fluido newtoniano, permitiéndonos observar los efectos de la reversibilidad del desplazamiento sobre el fenómeno. En todos los casos se buscó cuantificar la influencia de los parámetros característicos del flujo: el período T y la amplitud A de las oscilaciones, el tiempo característico de difusión molecular sobre el espesor τ_m, la concentración y el tamaño de las partículas. En el caso de paredes lisas, se puso en evidencia que los regímenes de dispersión están gobernados por la relación τ_m /T. Se encontró que, a bajos τ_m /T ≤ 2, el régimen de dispersión de Taylor es dominante y, a escala global, es irreversible. Para τ_m /T ≥ 20 encontramos un régimen parcialmente reversible donde la mezcla continúa siendo difusiva a escala global; sin embargo, localmente, las simulaciones numéricas de tipo Monte Carlo mostraron que la distribución de partículas de trazador en el espesor sigue las oscilaciones de la velocidad local v_x (z, t). En este caso, el coeficiente de dispersión tiene una componente puramente convectiva, que es reversible. En el caso de una celda rugosa, el desorden introducido por los obstáculos hizo aparecer la dispersión geométrica a τ_m /T ≤ 0,6, donde la dispersividad ldg varía con la amplitud y no depende del período de la oscilación del flujo. El régimen de dispersión de Taylor se detectó en un intervalo de la relación entre los tiempos característicos más estrecho que en el caso de celda lisa, 〖0,8≤τ〗_m/T≤1, este rango depende de la amplitud de la oscilación. También se encontró el régimen de dispersión parcialmente reversible, para τ_m /T ≥ 20, correspondiendo con lo visto previamente en la celda de paredes lisas. Con técnicas complementarias (eco y transmisión), se aisló la componente de la dispersión irreversible de la reversible indicando la existencia de canales de flujo macroscópicos generados por la geometría de la fractura. Luego, se estudió el efecto sobre la dispersión por la presencia de una suspensión de partículas de poliestireno de 40 μm de diámetro, en la celda de Hele-Shaw lisa, con un flujo oscilante. En la medida global de la dispersión, se encontraron básicamente los mismos regímenes que en la celda lisa. Luego, en una escala microscópica, para terminar de comprender lo que sucede en el fenómeno de dispersión, se realizó el seguimiento de las trayectorias individuales de las partículas dentro de la celda sometidas a un flujo oscilante. Se analizó el movimiento en diferentes capas del espesor y se obtuvieron las distribuciones de velocidades. Se pudo observar que, las partículas se mueven siguiendo las diferentes líneas de corriente y su perfil de velocidades mantiene la forma parabólica característica de Poiseuille. Por otro lado, se aislaron las trayectorias que presentan reversibilidad cinemática, comprobando que hay partículas que van y vienen por el mismo camino, aún en presencia de interacciones débiles entre ellas. Por último, se aumentó la concentración de partículas presentes en la suspensión y se observó que, con un flujo oscilante, la suspensión dentro de la celda se estructura formando bandas periódicas transversales al flujo. Se caracterizó la dependencia de la longitud de onda λ de esta inestabilidad en función de parámetros geométricos (apertura y ancho de la celda, diámetro de partículas); físicos (viscosidad del fluido, densidad de las partículas) y geometría de flujo (sinusoidal, onda cuadrada, T y A). Se encontró que: para cada espesor de la celda, diferente diámetro y densidad de las partículas, viscosidades del fluido, λ resulta constante con T y aumenta linealmente con A. Localmente, se observó que la inestabilidad corresponde a variaciones de la concentración de las partículas en el espesor de la celda.