Les rayons cosmiques occupent une place privilégiée au sein de l'astrophysique et de la physique des astroparticules, non seulement parce qu'ils participent à la plupart des processus énergétiques à l'œuvre dans l'univers, mais parce que leur existence même et la continuité de leur spectre d'énergie (des énergies thermiques à plus de 1020 eV) soulèvent des questions d'une grande fécondité et d'une richesse inattendue. La source de ces particules énergétiques sillonnant le cosmos demeure largement inconnue, et des décennies de recherche n'ont pas permis d'élucider pleinement le lien existant entre celles que l'on voit rayonner sur toute l'étendue du spectre électromagnétique dans telle ou telle source astronomique et celles que l'on détecte au voisinage de la Terre, porteuses d'informations précieuses pour la physique en général. Nous proposons une approche globale et pluridisciplinaire du rayonnement cosmique, insistant sur la nécessité de considérer conjointement ses trois dimensions spectrales : la distribution en énergie (spectre), la distribution angulaire (anisotropies) et la distribution en masse (composition). Nous analysons divers aspects de cette problématique — théoriques, phénoménologiques et expérimentaux — avec une attention particulière au cas des rayons cosmiques ultra-énergétiques, en relation avec l'Observatoire Pierre Auger, mais nous tentons également d'expliciter les liens existant entre les différentes gammes d'énergie, et de mettre en lumière l'importance de la transition galactique/ extragalactique. De nombreuses contraintes sont également apportées par l'astronomie non-thermique et l'astrophysique nucléaire, dont nous discutons certains aspects directement liés aux particules énergétiques, à leur accélération comme à leur propagation dans le cosmos.

L'Observatoire Pierre Auger est la plus importante expérience jamais conçue dans le domaine de la détection des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Sa superficie de 3000 km² par site doit apporter la statistique au delà de 10^19eV afin d'en comprendre leur origine. Son mode de détection hybride des gerbes atmosphériques doit permettre une grande précision sur la reconstruction de l'énergie primaire et sur la direction d'arrivée. <br> Après avoir exposé l'historique des rayons cosmiques, et la problématique liée aux énergies ultines, nous décrirons les détecteurs de l'Observatoire Pierre Auger, ainsi que les motivations et les contraintes à l'installation sur le site. <br> Dans une troisième partie, nous abordons la simulation des phénomènes de gerbe atmosphérique. Nous débuterons par la description de l'interaction primaire à très haute énergie, où les modèles d'interaction hadronique doivent ^etre extrapolés, puis nous poursuivrons par la cascade électromagnétique et la composante pénétrante que les détecteurs de fluorescence et de surface détectent. <br> L'étude par la simulation de la distribution latérale (décroissance du signal en fonction de la distance au coeur de la gerbe) nous a conduit à proposer une nouvelle fonction de distribution latérale qui permet de s'ajuster aux gerbes individuelles et à terme, avoir une meilleure estimation de l'énergie primaire gerbe à gerbe. Cette nouvelle fonction a été appliquée aux données du réseau prototype. <br> Nous terminerons par une présentation des données du réseau prototype installé dans la Pampa par la reconstruction de ses événements.

Il y a tout juste cent ans que les premières mesures du taux d'ionisation de l'air ont dévoilé que la terre est sans cesse bombardée par une pluie de particules énergétiques provenant du Cosmos. D'un point de vue astrophysique, l'origine de ces particules hautement relativistes, appelés rayons cosmiques (CRs), ainsi que leur mécanisme d'accélération restent très peu connus. Le paradigme actuel suppose une injection sporadique des CRs accélérés par la propagation d'ondes de choc au cours de la mort de certaines étoiles (SNRs).Les mesures récentes des flux de CRs (par les expériences PAMELA et AMS-02 par exemple) inaugurent une nouvelle ère de précision dans la mesure où les incertitudes statistiques sont désormais considérablement réduites. Dans ce mémoire de thèse, nous proposons et approfondissons de nouvelles pistes théoriques de manière à maximiser l'information extraite de ces nouvelles données.Après une introduction générale sur la physique des CRs, nous nous concentrons sur les espèces dites primaires, qui sont produites directement par les SNRs. De la nature discrète des SNRs et de la méconnaissance quasi-complète de leurs positions et de leurs ages résulte une incertitude théorique qui nécessite d'être estimée pour la prédiction des flux observés sur Terre. Jusqu'alors ces prédictions se contentent de calculer la moyenne d'ensemble de ce flux. Dans cette partie nous exposons la théorie statistique que nous avons élaborée, permettant de calculer la probabilité d'une déviation du flux mesuré par rapport à la moyenne d'ensemble. Nous sommes amenés à utiliser une version généralisée du théorème de la limite centrale, avec lequel nous montrons que la loi de probabilité est intimement reliée à la distribution des sources et qu'elle converge vers une loi stable. Cette dernière diffère de la loi gaussienne par sa queue lourde en loi de puissance. Le cadre théorique développé ici peut non seulement être étendu à d'autres observables du rayonnement cosmique, mais aussi enrichi en incluant une description plus complète des corrélations entre les sources. De plus, la méthode que nous avons développée peut être appliquée à d'autres problèmes de physique/astrophysique impliquant des distributions à queue lourde.Deuxièmement nous nous penchons sur les CRs dits secondaires (comme le bore), qui sont produits par les collisions des espèces primaires avec le milieu interstellaire. Plus précisément nous nous concentrons sur le rapport du flux du bore sur celui du carbone qui est traditionnellement utilisé pour comprendre la propagation des CRs. Ainsi, tout porte à croire que les mesures extrêmement précises de ce rapport nous donneraient de fortes contraintes sur les scénarios de propagation. Malheureusement il n'en est rien et nous montrons que le calcul théorique dépend fortement de certaines hypothèses telles que le lieu de production des secondaires et le choix du jeux de sections efficaces d’interaction. Nous estimons à au moins 20 % les incertitudes sur les paramètres de propagation dérivés jusqu'à maintenant. Grâce aux nouvelles données de l'expérience AMS-02, nous présentons les points de départ de notre nouvelle analyse pour laquelle nous utilisons le code semi-analytique USINE.Finalement, dans une troisième partie, nous utilisons ces données de précision pour réactualiser les analyses portant sur la recherche indirecte de matière noire. En effet, les CRs d'antimatière seraient -au même titre que le bore- des particules secondaires. La prédiction de leur fond astrophysique repose sur une connaissance précise de la propagation des CRs et de leurs interactions dans la Galaxy. Nous les traitons ici sous les hypothèses habituelles et réévaluons les flux de positrons et d'antiprotons à la lumière des nouvelles données d'AMS-02. Nous discutons ensuite les conséquences pour la matière noire et les possibles explications astrophysiques d'éventuels excès observés. / A hundred years ago, pioneering observations of air ionization revealed that the Earth is showered with particles coming from the Galaxy and beyond. Because of their high energies, these particles coined cosmic-rays are still a crucial tool in the field of particle physics, complementary to man-made accelerators. From an astrophysical point of view, the origin of cosmic-rays and the mechanisms which accelerate them are still very poorly known. The present paradigm involves sporadic production associated with the expanding shock waves from dying stars (SNRs).Recent experiments (notably PAMELA and, more recently, AMS-02) are ushering us into a new era of measurements of cosmic-ray fluxes with greatly reduced statistical uncertainties. In this dissertation, we propose and investigate new theoretical refinements of our predictions to fully benefit from these advances.After a general introduction on cosmic-ray physics, we first focus on the so-called primary species which are directly produced by SNRs. In this context of precision measurements, the discreteness of the sources in space and time, together with a substantial ignorance of their precise epochs and locations (with the possible exception of the most recent and close ones) may lead to significant uncertainties in the predictions of the fluxes at the Earth. So far, the conventional approach just relied on average trends. Here, we elaborate a statistical theory in order to compute the probability for the actual flux to depart from its ensemble average. Using the generalized version of the central limit theorem, we demonstrate that the probability distribution function of the flux is intimately related to the source distribution and follows a stable law with a heavier tail than the Gaussian distribution. Our theoretical framework can not only be extended to other cosmic-ray observables, such as the lepton flux, but also can be enriched to include a more comprehensive description of the correlations between the sources. Moreover the method which we have developed may be applied to a variety of problems in physics/astrophysics involving heavy tail distributions.Secondly, we concentrate on secondary CRs, like the boron nuclei, which are thought to be produced only by the collisions of cosmic-rays on the interstellar medium. More precisely, the ratio of the boron to carbon fluxes is a traditional tool used to understand and gauge the propagation of cosmic-rays in the Galaxy. Hence a very precise measurement of this ratio should imply stringent constraints on the propagation scenario. However we show that its theoretical derivation strongly depends on where these secondary species are produced as well as on the chosen set of nuclear cross-sections. Hence we assess at the 20% level the theoretical uncertainties on the so far derived propagation parameters. As new data from AMS-02 were freshly released, we present the starting points of a comprehensive new analysis for which we use the semi-analytical code USINE.Finally these high precision measurements offer new opportunities for a number of astroparticle problems, such as indirect dark matter searches which is the main thrust of the third part of the thesis. Antimatter cosmic rays are thought to be secondary species and their relatively low fluxes make them a channel of choice to look for rare processes such as dark matter annihilation. Nonetheless, the predictions of the expected backgrounds rely on a precise modeling of cosmic-ray propagation and interactions in the Galaxy. We treat them under commonly used simplified assumptions and discuss two studies where we re-evaluate the anti-proton and the positron fluxes in the light of the new AMS-02 data. Then we discuss the implications for dark matter and astrophysical explanations.

Le réseau de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) permet de détecter des particules du rayonnement cosmique (astroparticules) par l'émission de lumière Cherenkov émise par les particules secondaires résultant de l'interaction d'une particule primaire dans l'atmosphère terrestre. Outre la détection et l'étude de sources astrophysiques qui émettent des rayons gamma, H.E.S.S. permet d'étudier les différentes émissions diffuses du rayonnement cosmique. L'intérêt de ces émissions diffuses dans la compréhension de l'origine et la propagation des rayons cosmiques ainsi que la possibilité d'y détecter un signal de matière noire est rappelé dans ce manuscrit. Après une présentation de l'expérience H.E.S.S., la possible amélioration de la discrimination entre les rayons gamma et les électrons avec H.E.S.S. est discutée. En particulier, la possibilité de détecter le rayonnement Cherenkov direct émis par les électrons primaires du rayonnement cosmique au contraire des rayons gamma est abordée. Ensuite, une méthode de discrimination basée sur une comparaison à l'aide d'un maximum de vraisemblance entre des images enregistrées par les caméras des télescopes et des images issues d'un modèle semi-analytique est utilisée afin d'obtenir une reconstruction spectrale des électrons et des positrons du rayonnement cosmique avec les données de H.E.S.S. Cette mesure permet pour la première fois d'étendre la détermination du spectre en énergie des électrons et des positrons du rayonnement cosmique jusqu'à 20 TeV. / The telescope array H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) allows to detect cosmic ray particles with the Cherenkov light that is emitted by the secondary particles resulting of the interaction of the primary particles in the Earth’s atmosphere. Besides the detection and the study of astrophysical sources that emit rays, H.E.S.S. allows to study the different diffuse emissions that compose the cosmic rays. The interest of these diffuse emissions for the comprehension of the origin and the propagation of cosmic rays as well as the chance that they conduct to the detection of a dark matter signal is recalled in this manuscript. Following a presentation of the H.E.S.S. experiment, the possible improvment of the discrimination between rays and electrons with H.E.S.S. is discussed. Especially, the possibility of detecting direct Cherenkov light emitted by primary cosmic ray electrons but not by primary rays is addressed. Then, a discriminating method based on a log-likelihood comparison between recorded images and template images from a semi-analytical model is used to obtain a spectral reconstruction of the cosmic ray electrons and positrons with H.E.S.S. data. This measurement allows for the first time to establish the shape of the energy spectrum of cosmic ray electrons and positrons up to20 TeV.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés du transport de particules chargées de haute énergie dans des champs électromagnétiques turbulents.Ces champs ont été générés en utilisant le code magnétohydrodynamique (MHD) RAMSES, résolvant les équations de la MHD idéales compressibles. Nous avons développé un module pour générer la turbulence MHD, en utilisant une technique de forçage à grande échelle. Les propriétés des équations de la MHD font cascader l'énergie des grandes échelles vers les petites, développant un spectre en énergie suivant une loi de puissance, appelée zone inertielle. Nous avons développé un module permettant de calculer les trajectoires de particule chargée une fois le spectre turbulent établi. En injectant les particules à une énergie telle que l'inverse du rayon de Larmor des particules corresponde à un mode du spectre de Fourier dans la zone inertielle, nous avons cherché à mettre en évidence un effet systématique lié à la loi de puissance du spectre. Cette méthode a montré que le libre parcours moyen est indépendant de l'énergie des particules jusqu'à des valeurs de rayon de Larmor proches de l'échelle de cohérence de la turbulence. La dépendance du libre parcours moyen avec le nombre de Mach alfvénique des simulations MHD a également produit une loi de puissance.Nous avons également développé une technique pour mesurer l'effet de l'anisotropie de la turbulence MHD sur les propriétés du transport des rayons cosmiques, au travers le calcul de champs magnétiques locaux. Cette étude nous a montré un effet sur coefficient de diffusion angulaire, accréditant l'hypothèse que les particules sont plus sensible aux variations de petites échelles. / In this thesis, we study the transport properties of high energy charged particles in turbulent electromagnetic fields.These fields were generated by using the magnetohydrodynamic (MHD) code RAMSES, which solve the compressible ideal MHD equations. We have developed a module for generating the MHD turbulence, by using a large scale forcing technique. The MHD equations induce a cascading of the energy from large scales to small ones, developing an energy spectrum which follows a power law, called the inertial range.We have developed a module for computing the charged particle trajectories once the turbulent spectrum is established. By injecting the particles to energy such as the inverse of the particle Larmor radius corresponds to a mode in the inertial range of the Fourier spectrum, we have highlighted systematic effects related to the power law spectrum. This method showed that the mean free path is independent of the particules energy until the Larmor radius takes values close to the turbulence coherence scale. The dependence of the mean free path with the alfvénic Mach number produced a power law.We have also developed a technique to measure the anisotropy effect of the MHD turbulence in the cosmic rays transport properties through the calculation of local magnetic fields. This study has shown an effect on the pitch angle scattering coefficient, which confirmed the assumption that the particles are more sensitive to changes in small scales fluctuations.

Ce travail contient 20 articles répondant aux questions suivantes :- contraintes observationnelles sur l'existence d'un rayonnement cosmique cosmologique et - problèmes liés à la diffusion des éléments dans les atmosphères stellaires.

Nous avons développé une méthode pour analyse isotopique de Yb et Er, deux terres rares aux propriétés chimiques identiques et aux températures de condensation différentes, avec comme objectifs (1) de déterminer la variabilité isotopique de ces éléments dans les processus pétrologiques terrestres, et (2) de comparer leurs compositions isotopiques dans les chondrites, la Terre et la Lune afin de déterminer le rôle potentiel de la condensation à haute température à partir de vapeurs qui a suivi l’impact géant à l’origine de la formation de la Lune. Les résultats obtenus montrent une plus grande variabilité des fractionnements isotopiques de Yb par rapport à ceux d’Er. Deux effets contribuent à cette différence : un effet oxydo-réducteur et un effet de température. La corrélation positive obtenue entre la composition isotopique en Yb, et le rapport La/Yb dans les échantillons terrestres, peut être interprétée par la présence d’une faible fraction d’ Yb(2+), Yb étant majoritairement présent sous la forme Yb(3+). La kimberlite (liquide magmatique formé par un faible taux de fusion partielle) est enrichie en isotopes lourds et les grenats, résidus de fusion partielle, sont isotopiquement légers, tandis que les basaltes de ride ou d’îles ont des compositions isotopiques intermédiaires.La composition isotopique en Yb de la Lune est enrichie en isotopes légers par rapport à celle de la Terre et des chondrites. Dans le disque proto-lunaire, les frictions entre les phases fondues et gazeuses favorisent la migration des premiers condensats très réfractaires et enrichis en isotopes lourds vers la Terre, et celle de la vapeur enrichie en isotopes légers, vers l’extérieur, au-delà de la limite de Roche à partir de laquelle la Lune s’accrète. Ceci est un nouvel argument en faveur de la condensation de la Lune à partir de vapeur générée par un impact géant. La mesure de la composition isotopique d’Er dans les échantillons lunaires reflète pour la première fois la capture par 167Er des neutrons produits par interaction du rayonnement cosmique galactique avec la surface lunaire. L’apport de Er aux systèmes communément utilisés pour déterminer le spectre d’énergie des neutrons d’un matériau peut permettre de couvrir une gamme énergétique plus large et de disposer ainsi d’un proxy plus complet pour l’étude des histoires des irradiations des matériaux planétaires. / Er and Yb are two refractory rare-earth elements that have overall similar crystallochemical properties but differ in their temperatures of condensation from the nebular gas. We developed an analytical protocol for the measurement of Er and Yb isotope compositions 1) to establish their isotopic variability in terrestrial magmatic processes 2) to compare their isotopic composition in chondrites, Earth and Moon in order to study fractionation during the high temperature condensation of vapor formed by the giant impact that generated the Moon. The range of mass-dependent isotope fractionation obtained is larger for Yb than Er isotopes. Two effects contribute to the difference between Er and Yb : a redox effect and a temperature effect.First, for terrestrial rocks, the presence of a small fraction of Yb(2+) together with the most common Yb(3+) is inferred from the positive corre- lation between δYb and the La/Yb ratio. Yb(3+) fractionates favorably into tighter bonds and, at the same time, is much more compatible than Yb(2+). Small-degree melts (kimberlite) tend to be enriched in the heavy Yb isotopes, whereas the opposite is true for residual garnets. Second, the stronger volatility of Yb with respect to Er is demonstrated by the apparent deficit of heavy Yb isotopes in the Moon with respect to the Earth, chondrites, and eucrites. Separation of vapor from melt and of heavy from light isotopes is first expected during the adiabatic expansion of the initial vapor plume. Subsequently, friction between melt and gas tends to further enrich the Moon feeding zone in silicate vapor to compensate the inward migration of melt out of the pre-lunar disk. The lighter isotope composition of Yb in lunar samples provides new evidence that the Moon formed by condensation of silicate vapor in the aftermath of the giant lunar impact.Erbium isotope ratios in lunar samples reflect for the first time the capture by 167Er of secondary neutrons produced by interactions of galactic cosmic rays with the lunar surface. The cross section of 167Er for neutron capture being particularly strong and its first resonance standing out at energies poorly covered by other nuclides, 167Er anomalies may help refine the knowledge of the neutron energy spectrum on the Moon and other planetary bodies.

Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) est conçu comme l’expérience de rayons cosmiques de prochaine génération pour observer les particules hautement énergétiques au-dessus de 10²⁰ eV. Le projet est mené par RIKEN et soutenu par une collaboration de plus de 200 membres provenant de 13 pays. Cet observatoire, sous la forme d'un télescope fluorescent, sera arrimé à la Station Spatiale internationale (ISS) pour un lancement prévu en 2017. En observant les gerbes atmosphériques produites dans la troposphère, à une altitude de 400 km, cet observatoire de rayons cosmique offrira une grande surface de détection, qui est au moins 100 fois supérieur que le plus grand détecteur de rayons cosmiques jamais construit. La surface focale de JEM-EUSO sera équipée d'environ 5000 unités de photomultiplicateur multianode 8x8 pixels (MAPMT). Un circuit intégré (ASIC), connu sous le nom SPACIROC, a été proposé pour la lecture du MAPMT. Cet ASIC de 64 voies propose des fonctionnalités comme le comptage de photons, la mesure des charges et le transfert de données à haute vitesse. Par-dessus tout, cet ASIC doit peu consommé afin de respecter la contrainte de puissance de JEM-EUSO. Réalisé en utilisant la technologie AMS Silicium-Germanium (SiGe) 0,35 µm, cet ASIC intègre 64 canaux de comptage de photons rapides (Photon Counting). La résolution de temps pour le comptage de photons est de 30 ns, ce qui permettra d’atteindre la valeur maximale comptage qui est de l'ordre de 10⁷ photons / s. Le système de mesure de charge est basé sur le Time-Over-Threshold qui offre 8 canaux de mesure. Chaque canal de mesure est une somme des 8 pixels du MAPMT et il est prévu que ce système est capable de mesurer jusqu'à 200 pC. La partie numérique fonctionne en continu et gère la conversion des données de chaque voie des blocs de Photon Counting et Time-Over-Threshold. Les données numériques sont transmises par l'intermédiaire de liaisons parallèles dédiées et ces opérations sont effectuées pendant une fenêtre de communication ou « Gate Time Unit » (GTU) de fréquence 400 kHz. Le taux de transfert des données d’ASIC avoisine les 200 Mbps ou 576 bits / GTU. La dissipation de puissance est strictement inférieure à 1 mW par canal ou 64 mW pour l'ASIC. Le premier prototype de SPACIROC a été envoyé pour fabrication en Mars 2010 au Centre Multi Projet (CMP). Des puces nues et packagés ont été reçues en Octobre 2010, ce qui a débuté la phase de caractérisation de cet ASIC. Après une phase de test réussie, des puces SPACIROC ont été intégrés dans l'électronique frontale d'un instrument pour détecter les sursauts gamma - Ultra Fast Flash Observatoire (UFFO) qui va être lancé en 2013. Vers la fin de l'année 2012, des cartes électroniques frontales conçues autour des puces SPACIROC ont été fabriqués pour le projet EUSO-Balloon. Ce projet de vol en ballon stratosphérique à une altitude de 40 km servira comme le démonstrateur technologique et l'ingénierie d'un instrument miniaturisé JEM-EUSO. La deuxième génération de cet ASIC a été envoyée à la fonderie en Décembre 2011. Ce second prototype, SPACIROC2, a été testé à partir de mai 2012. Les principales améliorations sont les suivantes: la consommation d'énergie a été revue à la baisse, ainsi que l'amélioration de la résolution temporelle de Photon Counting et l'extension de la gamme dynamique pour le module Time-Over-Threshold. Les mesures en cours ont montré que SPACIROC2 présente un bon comportement général et apporte des améliorations par rapport à son prédécesseur. / Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) is conceived as the next generation cosmic rays experiment for observing the highly energetic particles above 5.10¹⁹ eV. The project is lead by RIKEN and supported by an active collaboration of more than 200 members from 13 countries. This observatory, in the shape of a wide field-of-view UV telescope, will be attached to the International Space Station (ISS) for a planned launch in 2017. Observing the Air Showers generated in troposphere from an altitude of 400 km, this space based cosmic rays experiment will offer a very large instantaneous detection surface, which is at least 100 times bigger than the largest land based cosmic rays observatory. The detection surface of JEM-EUSO will be equipped with around 5000 units of 8x8 pixels Multianode Photomultiplier (MAPMT). A radiation hardened mixed signal application-specific integrated circuit (ASIC), known as SPACIROC, has been proposed for reading out the MAPMT. This ASIC features 64-channel analog inputs, fast photon counting capabilities, charge measurements and high-speed data transfer. Above all, the power dissipation of this ASIC is required to be very low in order to comply with the strict power budget of JEM-EUSO. By taking the advantages of high speed AMS 0.35 µm Silicon-Germanium (SiGe) process, this ASIC integrates 64 fast Photon Counting channels. The photon counting time resolution is 30 ns, which allows the theoretical counting rate in the order of 10⁷ photons/s. The charge measurement system is based on Time-Over-Threshold which offers 8 measurement channels. Each measurement channel is composed of 8 pixels of the MAPMT and it is expected that this system will measure up to 200 pC. The digital part is then required to operate continuously and handles data conversion of each Photon Counting and Time-Over-Threshold channel. For the first version of this ASIC, one channel measurement channel for the dynode is also available. The digital data are transmitted via dedicated parallel communication links and within the defined Gate Time Unit (GTU) of 400 kHz frequency. The ASIC data output rate is in the vicinity of 200 Mbps or 576 bits/GTU. The power dissipation is kept strictly below 1 mW per channel or 64 mW for the ASIC. The first prototype of SPACIROC was sent for tapeout in March 2010 through Centre Multi Projet (CMP) prototyping services. The packaged ASICs and bare dies have been received in October 2010 which marked the characterization phase of this chip. After successful testing phase, SPACIROC chips were integrated into the front-end electronics of an instrument pathfinder for detecting the gamma ray bursts – Ultra Fast Flash Observatory (UFFO) which is foreseen to be launched in 2013. Towards the end of 2012, front-end board designed around SPACIROC chips have been fabricated for the EUSO-Balloon project. This balloon borne project will serve as a technical and engineering demonstrator of a fully miniaturized JEM-EUSO instrument which will be flown to the stratosphere at the altitude of 40 km. The second tapeout of this ASIC was done in December 2011. This second prototype, SPACIROC2, was tested from May 2012. The main improvements are as follows: lower power consumption due to better power management, enhancement in Photon Counting time resolution and extension the Time-Over-Threshold maximum input rate. The ongoing tests have shown that SPACIROC2 exhibits a good overall behavior and improvement compared to its predecessor.

Un siècle après la découverte du rayonnement cosmique – un flux de particules énergétiques chargées qui bombarde les couches supérieures de l'atmosphère terrestre –, beaucoup de questions restent encore ouvertes sur son origine, sa nature et son transport. La mesure précise du flux des ions du rayonnement cosmique a pour objectif d'étudier les processus d'accélération et de propagation. En particulier la mesure des rapports secondaire sur primaire permet de contraindre très efficacement les modèles de propagation car elle est directement liée au grammage vu par les particules durant leur transport. La connaissance et la caractérisation des processus liés à la propagation permet de reconstruire le spectre source du rayonnement cosmique et donc de contraindre les processus d'accélération, mais aussi de tester l'existence dans le rayonnement cosmique de contributions exotiques comme l'annihilation de particules de matière noire. Cette thèse traite deux aspects de la physique du rayonnement cosmique: la phénoménologie et la détection. Concernant l'aspect phénoménologique, le travail présenté consiste à évaluer et à étudier les contraintes que les mesures actuelles permettent d'apporter sur les modèles de propagation du rayonnement dans la Galaxie à l'aide d'un Monte Carlo par chaînes de Markov. L'aspect expérimental de ce travail porte sur la participation à la construction, la validation et l'analyse des données du sous-détecteur CherCam – un imageur Cherenkov mesurant la charge des ions du rayonnement cosmique pour l'expérience CREAM –, dont les résultats préliminaires sont présentés.

Le plasma de quarks et de gluons est un état de la matière apparaissant à haute température. En laboratoire, il est possible d'atteindre les conditions nécessaires à sa formation grâce aux collisions d'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. L'expérience ALICE au LHC est dédiée à l'étude du plasma de quarks et de gluons grâce aux collisions Pb-Pb à 2,76 TeV. Les premiers résultats d'ALICE, presentés en annexe, ont été obtenus grâce aux rayons cosmiques. Une étude de l'évolution de l'efficacité de reconstruction du spectromètre à muons durant ses deux premières années de fonctionnement sera présentée par la suite. L'efficacité totale de reconstruction des chambres de trajectographie ainsi obtenue est de plus de 90% pour les données correspondant à des collisions proton-proton, et de 85% pour les données recueillies avec des collisions plomb-plomb. Une méthode de sélection des traces reposant sur la distribution du produit impulsion - distance d'approche minimale sera également présentée. Cette sélection permet de rejeter les traces de muons produits par des collisions entre les particules du faisceau et le gaz résiduel dans le tube faisceau, et les fausses traces dans les collisions Pb-Pb les plus centrales. Enfin, cette thèse présentera une première analyse sur le taux de production des muons simples et des J/psi en fonction de la multiplicité en particules chargées lors des collisions proton-proton.