Malgré l'utilisation de détecteurs géants adaptés aux faibles flux au-delà de 1018 eV, l'origine du rayonnement cosmique d'ultra-haute énergie reste pour l'instant mal établie. Dans les années 60, la détection radio des gerbes a été proposée comme une technique complémentaire à la détection de particules au sol ou à la détection par fluorescence. Un renouveau de cette méthode s'est opéré à partir des années 2000, avec notamment l'expérience CODALEMA. Les premiers résultats obtenus ont montré une forte dépendance du signal au champ géomagnétique et une forte corrélation entre l'énergie estimée par la radio et par les détecteurs de particules. La nouvelle génération de détecteurs radio créée par la collaboration CODALEMA permet aujourd'hui de démontrer qu'il est possible de détecter des gerbes de manière autonome. De part les performances attendues (cycle utile de presque 100%, signal provenant de l'ensemble de la gerbe, simplicité et faible coût du détecteur), il pourrait être envisagé de déployer cette technique pour les prochains grands réseaux de détection. Afin d'interpréter les données expérimentales, un outil de simulation radio, SELFAS, a été développé dans ce travail. Ce code de simulation a permis de mettre en évidence l'existence d'un second mécanisme d'émission radio. Une interprétation du profil longitudinal est aussi proposée comme observable d'un instant privilégié du développement de la gerbe, et pourrait donner une estimation de la nature du primaire.

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