L'observation de rayons cosmiques d'énergies supérieures à 10^19 eV ne possède pas d'explication satisfaisante actuellement. L'Observatoire Pierre Auger (PAO) a pour objectif l'augmentation significative de la statistique, très faible, de ces rayons cosmiques, grâce à des détecteurs de gerbes atmosphériques situés dans chaque hémisphère, l'un en Argentine et l'autre en Utah, la surface utile de chacun approchant 3000 km² . Ils détecteront d'une part la fluorescence, d'autre part les particules des gerbes, mesurant ainsi les profils longitudinaux et latéraux, qui permettront l'estimation améliorée des observables astrophysiques que sont l'énergie, la direction et la nature des particules primaires. La réussite d'une expérience requiert à la fois la compréhension des signaux collectés et une instrumentation adaptée ; cette thèse expose donc les résultats de simulations de gerbes atmosphériques de haute énergie et leur application à la discrimination entre les natures de particules primaires, ainsi que les éléments du logiciel d'acquisition des stations locales composant les détecteurs de surface du PAO.

La matiere sombre est omnipresente a plusieurs echelles de l'univers (galaxie, amas de galaxies, univers dans son ensemble). Cette matiere joue un role important en cosmologie et ne peut etre totalement expliquee par de la physique conventionnelle. Du point de vue de la physique des particules, il existe une extension du modele standard : le modele supersymetrique qui predit l'existence sous certaines conditions de nouvelles particules stables massives interagissant faiblement avec la matiere ordinaire. Outre la recherche active en detecteurs de ces nouvelles particules, il existe de nombreuses signatures indirectes accessibles aux etudes astrophysiques.<br /><br />Cette these se concentre sur une de ces signatures la desintegration de ces particules peut donner des antiprotons que nous devrions voir dans les rayons cosmiques. La presente etude s'interesse a l'evaluation du bruit de fond correspondant a ce signal i.e. les antiprotons issus de l'interactions entre ce rayonnement cosmique noyaux et la matiere du milieu interstellaire. En particulier, la meconnaissance de ce bruit de fond etant principalement due aux incertitudes liees aux parametres de diffusion, la majeure partie de cette these porte sur la propagation des noyaux.<br /><br />Le premier tiers de la these introduit la propagation des rayons cosmiques dans notre galaxie en insistant sur les processus nucleaires responsables de la fragmentation des noyaux. Dans le second tiers les differents modeles de propagation sont passes en revue et en particulier les liens entre le modele du Leaky Box et le modele de diffusion sont rappeles : la reacceleration ainsi que la convection y sont aussi discutees. Ceci donne ensuite lieu a un discussion qualitative sur l'information que nous pouvons extraire de la propagation des noyaux. Dans le dernier tiers, nous presentons finalement les solutions detaillees du modele de diffusion a deux dimensions ainsi que les contraintes obtenues sur les parametres de propagation. L'application de ces parametres au calcul du spectre de fond d'antiprotons secondaires conclut le travail de these.<br /><br />Le code de propagation realise pour les noyaux et les antiprotons sous la forme decrite dans cette these a fait ses preuves en tant qu'outil d'analyse. Son usage sera sans aucun doute d'une grande utilite pour l'experience AMS sur la station spatiale internationale en 2003.

AMS-02 est un spectromètre magnétique conçu pour la détection du rayonnement cosmique chargé et des photons gamma. La mesure en 2013 de la fraction de positons par AMS-02 a confirmé la présence d'une composante de positons primaires, nécessitant l'existence d'une source de positons dans notre Galaxie. Cette thèse s'est exclusivement consacrée à l'étude de ce phénomène, et à la recherche de cette source de positons. La fraction de positons, le flux de positons et le flux d'électrons sont mesurés à l'aide d'une méthode de fit multidimensionnel mis au point lors de cette thèse. Une étude particulière est réservé au phénomène de confusion de charge, important pour la mesure du signe de la charge à haute énergie. La fonction de réponse instrumentale du détecteur est évaluée à l'aide de simulations Monte Carlo et est corrigée par les données réelles du détecteur. Un travail phénoménologique est effectué afin d'interpréter les résultats mesurés. L'interprétation de ces résultats en termes de composante primaire issues d'un pulsar local et du halo galactique de matière noire est effectué. Les implications et l'espace des paramètres autorisé pour chacun des modèles est explicité. Une ré-évaluation des secondaires à l'aide des nouvelles données d'AMS-02, ainsi que l'étude de l'impact de l'erreur expérimentale d'AMS-02 sur ces résultats, est exécuté. / AMS-02 is a magnetic spectrometer design for the cosmic ray and gamma ray detection. The measurement in 2013 of the positron fraction by AMS-02 confirmed the presence of a primary positron component, which means the existence of a galactic primary source of positrons. This thesis is devoted exclusively to the study of this phenomenon. The positron fraction, the positron flux, and the electron flux are measured using a method of multidimensional fit developed during this thesis. The charge confusion phenomenon, which is important at the highest energies, is investigated. The instrumental response function of the detector is evaluated using Monte Carlo simulations and is corrected using the ISS data. A phenomenological work is done to interpret the measured results. The interpretation of these results in terms of primary component from a local pulsar and dark matter halo is done. The implications and the parameter space allowed for each model is detailed. A reevaluation of secondaries with the new AMS-02 data, and the study of the impact of the experimental error of AMS-02 on these results is performed.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

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.