De nombreuses observations astrophysiques indiquent l'existence de grandes quantités de masse manquante dans l'Univers, et ce de l'échelle galactique à l'échelle cosmologique. Découvrir la nature de cette masse invisible constitue le problème de la matière noire, qui apparaît comme l'un des enjeux majeurs de la physique moderne. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la détection indirecte de matière noire. Cette dernière serait composée de nouvelles particules élémentaires, dont les produits d'annihilation pourraient être observés dans le rayonnement cosmique. Nous étudions dans ce travail deux des canaux de recherche les plus prometteurs : les photons gamma et les anti-noyaux.Les objets astrophysiques permettant de placer les meilleures contraintes actuelles en rayons gamma sont les galaxies naines sphéroïdes (dSphs) de la Voie Lactée. La première partie de notre travail a été consacrée à contraindre les facteurs J d'annihilation de ces objets, qui quantifient l'amplitude des flux gamma attendus. Nous avons pour cela mis au point une configuration optimisée d'analyse de Jeans, pour reconstruire les profils de densité de matière noire et leurs incertitudes à l'aide des données cinématiques stellaires. Notre configuration a été obtenue à l'aide de tests systématiques sur de très nombreuses dSphs simulées, et nous l'avons appliquée à vingt-trois dSphs de la Voie Lactée. La seconde partie de notre travail a consisté à mener une recherche de noyaux d'anti-hélium dans les données collectées par l'expérience AMS-02 sur la Station Spatiale Internationale. Nous avons pour cela mis au point une classification par arbres de décision boostés, et notre analyse préliminaire a permis d'obtenir les meilleures contraintes actuelles sur les rapports anti-hélium sur hélium. / Many astrophysical observations suggest the existence of large amounts of missing mass in the Universe, from the galactic to the cosmological scale. Discovering the nature of this invisible mass forms the dark matter problem, which appears as one of the major challenges of modern physics. This thesis is established in the context of indirect detection of dark matter. The latter could consist of new elementary particles, whose annihilation products may be observed in cosmic rays. We study in this work two of the most promising research channels!: gamma-rays and anti-nuclei.The best constraints on dark matter properties from gamma-ray observations come from the dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Milky Way. The first part of our work was devoted to computing the annihilation J-factors of these objects, which quantify the magnitude of the expected gamma-ray flux. We have developed an optimized Jeans analysis setup in order to reconstruct the dark matter density profiles of these objects and their associated uncertainties, using stellar kinematic data. Our optimized setup was obtained using systematic tests on numerous simulated dSphs, and we applied it to twenty-three dSphs of the Milky Way. The second part of our work was dedicated to the search for anti-helium nuclei in the cosmic ray data collected by the AMS-02 experiment on the International Space Station. We have developed a classification method using boosted decision trees, and our preliminary analysis has led to the best constraints to date on the anti-helium to helium ratio.

Double Chooz est une expérience de type «court ligne de base», auprès des réacteurs nucléaires de Chooz, qui a été conçue pour observer les oscillations des neutrinos associées à l’angle de mélange θ13. Une partie de ma recherche était axée sur le développement du logiciel requis pour l'étalonnage de l’Inner Veto de Double Chooz et à l'analyse des données qui y sont associées. J'ai été responsable des tests de qualité effectués sur tous les photomultiplicateurs avant leur installation. J'ai fait toutes les mesures nécessaires et j'ai analysé la majorité des données. Grâce à ce travail, j'ai extrait les premières valeurs des gains et j’ai déterminé les valeurs nominales des hautes tensions nécessaires pour les photomultiplicateurs. Toutes ces données nous ont aidé dans la mise au point du détecteur. Aussi j'ai été le responsable de l'analyse de l’extraction et stabilité des gains pendant l’expérience. J'ai travaillé très activement sur l'analyse des données et en particulier sur l'évaluation des différentes sources de bruit de fond. J'ai développé plusieurs techniques pour isoler et étudier les muons cosmiques qui activent le détecteur Double Chooz. J'ai également travaillé sur l'estimation du taux de neutrons rapides. Les techniques que j'ai présentées ont été utilisées dans la première publication de Double Chooz. Finalement, j'ai étudié un bruit de fond instrumental important pour le détecteur Double Chooz. J'ai développé un nouvel ensemble d'algorithmes pour identifier et rejeter ces événements pathologiques utilisant l'orientation géométrique de la charge à l'intérieur du détecteur. / Double Chooz is a short-baseline experiment, located at the Chooz power plant, designed to observe the neutrino oscillation signal controlled by the θ13 mixing angle. Part of my scientific research, as a graduate student, was directed towards the development of the software needed for the calibration of the Double Chooz Inner Veto and the analysis of the data associated with this task. I was responsible for the quality tests performed in every photomultiplier prior to its installation. I completed all the necessary measurements and analysed the data, extracting the first set of gains and determining the nominal high voltage values needed to be applied in all photomultipliers. All this information served as valuable input to the detector configuration. I was also responsible for the Inner Veto photomultiplier gain analysis during the first months of data taking. I was also very actively involved in data analysis and the estimations of the various sources of background. I initiated a number of methods to isolate and study the cosmic muon events that activate the detector. Additionally I worked on the estimation of the fast neutron rate registered in the detector. The techniques I put forward played a key role and were used in the first Double Chooz publication. Finally, I developed a set of algorithms to identify and reject an instrumental background, relevant for the Double Chooz detector using topological information of the deposited charge.

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush,caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire.Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations. / This PhD Thesis has been achieved thanks to the joint effort between two French organizations, the French Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN/LMDN, Cadarache) and the French Aerospace Lab (ONERA/ DESP, Toulouse). The aim was to develop an operational neutron spectrometer extended to high energies in order to measure the dynamics of the spectral variations of the natural radiative environment at the summit of the Pic du Midi Observatory in the French Pyrenees. Thereby, the fluence responses of each detector were calculated thanks to Monte Carlo simulations. Afterwards, they were validated by means of experimental campaigns up to high energies (>20 MeV) nearby reference neutron fields. The systematic uncertainties were deduced after detailed studies of the mathematic reconstruction of the spectra (i.e. unfolding procedure). Then, the system was tested under rocks at the LSBB of Rustrel before being installed at respectively+500 m and +1000 m above sea level for the first environmental campaigns. Finally, the spectrometer has been operating for two years after its deployment at the summit of the Pic du Midi (+2885 m). The continuous data were analysed thanks to an innovative method. Some seasonal and spectral variations were observed. Some Forbush decreases were also recorded after strong solar flares. These data were further analysed thanks to Monte Carlo simulations. The data were made more attractive thanks toseveral practical applications with personal dosimetry or reliability of submicron electronics components.

Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe. / This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène.