Dark matter has a long history, but it was not until modern times that we have a chance of detecting it. This thesis focuses on the velocity distribution and its effect on indirect WIMP detection. Recently a new velocity distribution, based on data from SDSS and GAIA, was proposed. For this reason simulation of capture, annihilation and resulting flux of neutrinos from the Sun and Earth has been made both for the new and Maxwell-Boltzmann velocity distribution. The newly proposed velocity can reduce the annihilation rate in Earth by two thirds. For the Sun the effect depends on the mass of the WIMPs. For 50 GeV WIMPs the newly proposed velocity distribution could increase the annihilation rate by 5%, while for 3 TeV WIMPs it could decrease the annihilation rate by 28%. For Earth and high mass WIMPs the low velocity tail is the important part and the low resolution of this region in the new velocity distribution result in some uncertainties.

Le but de l'expérience EDELWEISS est la détection de particules massives très faiblement interagissantes, candidats actuellement majeurs pour résoudre le problème de la matière noire. On identifie les particules ionisantes du fond grâce à la mesure simultanée de chaleur et d'ionisation dans les détecteurs. La principale limitation à cette méthode provient de la mesure d'ionisation, la collecte de charges étant altérée dans certaines zones dites «mortes» du détecteur. La spécificité de la mesure tient à l'emploi de très basses températures et de faibles champs de collecte. Cette thèse est consacrée à l'étude du piégeage de porteurs, par l'utilisation conjointe de mesures résolues en temps et d'un code de simulation adapté à ces conditions physiques particulières. On présente tout d'abord les résultats concernant le piégeage sur les surfaces libres des détecteurs. Notre méthode permet de constituer une charge surfacique de manière contrôlée sous irradiation par une source de forte activité, pour ensuite la caractériser à l'aide d'une source plus faible utilisée comme une sonde. Dans une deuxième étude, les caractéristiques du piégeage en volume sont déduites de mesures du rendement de collecte, ainsi que par une méthode originale utilisant la localisation des évènements dans le détecteur. Les résultats montrent qu'une proportion importante des impuretés dopantes sont chargées, comme l'indique de manière indépendante l'étude concernant les phénomènes de dégradation liés à la constitution d'une charge d'espace. Ce dernier volet met également en évidence la présence de nombreux pièges chargés sous les électrodes, et leur lien avec les effets de zone morte.

Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3<br />dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.

Dans le cadre de l'expérience EDELWEISS, nous avons cherché des WIMPs, hypothétiques et discrètes particules supersymétriques, qui pourraient éclaircir l'énigme de la matière sombre. Pour cela, nous avons employé un bolomètre à ionisation, monocristal de 70 g de germanium à 20 mK, dans lequel un WIMP diffusant élastiquement sur un noyau créerait deux signaux : une impulsion de température et une charge. Afin de s'affranchir des bruits électroniques affectant nécessairement les signaux, faibles, nous avons appliqué une méthode de filtrage optimal dans l'espace des fréquences. Elle fournit des résolutions de 1.2 keV LTMH à 122 keV d'énergie sur les deux voies. D'autre part, elle permet de bien séparer jusqu'aux basses énergies le signal attendu (reculs nucléaires) des contaminations radioactives photoniques (reculs électroniques, plus ionisants pour une énergie identique). Ainsi, sur des étalonnages, nous rejetons 99.7% du fond,tout en conservant 95% du signal, au-delà de 15 keV. Lors des 1.17 kg.jours de données prises pour chercher les WIMPs, nous avons constaté une population du fond radioactif s'immisçant dans le signal attendu. Il s'agit vraisemblablement d'une composante électromagnétique de basse énergie, interagissant superficiellement dans le détecteur, où la charge ne peut être collectée complètement. Néanmoins, moyennant la conservation de seulement la moitié du signal, nous pouvons encore rejeter 98.5% du fond. Ceci permet de passer d'un taux de 40 évts/j/kg/keV à une limite supérieure (à 90%) conservatrice sur le signal de 0.6 évts/j/kg/keV. Il s'agit d'une amélioration de près de trois ordres de grandeur depuis la campagne précédente, et qui se rapproche des zones prédites par la supersymétrie.

Les bolomètres sont des détecteurs fonctionnant à très basse température et mesurant l'énergie déposée par les effets thermiques induits. Toutes les excitations dans un solide finissant sous forme de chaleur (phonons), les bolomètres sont des détecteurs universels capables de mesurer l'énergie de rayonnements ionisants ou non.<br> La résolution ultime d'un bolomètre, du point de vue de la thermodynamique, décroît sans limites avec la température, cependant, dans le cas d'événements impliquant des reculs de noyaux dans un absorbeur solide, des mécanismes de piégeage de l'énergie peuvent limiter la résolution à des valeurs bien plus élevées. Nous avons analysé ces phénomènes dans la perspective d'appréhender la limite en résolution pour la détection d'ions éventuellement sur faisceau et dans la recherche de WIMPs, hypothétiques composants de la Matière Noire non baryonique.<br> Nous avons élaboré et caractérisé des bolomètres de masses et de géométries diverses, tous équipés de senseurs thermométriques en couches minces de NbxSi1-x. Les propriétés de ces couches en tant qu'isolant d'Anderson, ainsi que leur sensibilité aux phonons hors d'équilibre ont été étudiées. Nous avons ainsi comparé et interprété les résolutions expérimentales obtenues en régime thermique et athermique. La meilleure résolution que nous avons obtenue est de 0.34%, soit 18 keV sur des particules alpha de 5.5 MeV. Ce résultat est au dessus de nos estimations théoriques, nos bolomètres ont donc une importante marge de progression possible.

L'expérience EDELWEISS recherche une des principales composantes de la matière noire, sous la forme de particules appelées WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles). Cette particule, dont la supersymétrie donne un candidat théorique naturel, le neutralino, pourrait constituer une grande fraction de la masse de l'Univers. Les WIMPs sont supposés être présents sous la forme d'un halo sphérique entourant les galaxies.La méthode de la détection directe des WIMPs présents dans le halo de notre galaxie repose sur la mise en évidence de leur interaction avec un noyau cible. L'expérience EDELWEISS utilise cette technique avec des détecteurs cryogéniques à double composante. La détection d'une particule se fait par la mesure simultanée des charges et des phonons créés lors de son interaction avec un noyau. Cette double détection permet de discriminer les reculs électroniques dus en majorité à des gammas, des reculs nucléaires dus à des neutrons ou des WIMPs. Ce travail de thèse effectué dans le cadre de la collaboration EDELWEISS présente l'analyse des données de la première phase de l'expérience. Nous détaillerons en particulier les résultats obtenus durant la dernière campagne de données qui a vu fonctionner simultanément trois détecteurs de 320 grammes.Nous présenterons une comparaison entre une simulation et des données expérimentales d'un étalonnage de la réponse aux reculs nucléaires à l'aide d'une source émettrice de neutrons. La limite supérieure sur le taux d'événements WIMP est déterminée avec une méthode tenant compte de la forme du signal attendu sans toutefois faire d'hypothèse quant à la présence ou la forme d'un éventuel bruit de fond. Ceci nous a permis de déduire une limite supérieure sur la section efficace d'interaction d'un WIMP avec un nucléon en fonction de la masse du WIMP.

The LHC at CERN is now undergoing a set of upgrades to increase the center of mass energy for the colliding particles to be able to explore new physical processes. The focus of this thesis lies on the so called phase II upgrade which will preliminarily be completed in 2023. After the upgrade the LHC will be able to accelerate proton beams to such a velocity thateach proton has a center of mass energy of 14 TeV. One disadvantage of the upgrade is that it will be harder for the atlas detector to isolate unique particle collisions since more and more collisions will occur simultaneously, so called pile-up. For 14 TeV there does not exist a full simulation of the atlas detector. This thesis instead uses data from Monte Carlo simulations for the particle collisions and then uses so called smearing functions to emulate the detector responses. This thesis focuses on how a mono-jet analysis looking for different wimp models of dark matter will be affected by this increase in pile-up rate. The signal models which are in focus are those which try to explain dark matter without adding new theories to the standard model or QFT, such as the effective theory D5 operator and light vector mediator models. The exclusion limits set for the D5 operators mass suppression scale at 14 TeV and 1000 fb-1are 2-3 times better than previous results at 8 TeV and 10 fb-1. For the first time limits have been set on which vector mediator mass models can be excluded at 14 TeV.

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EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS. / EDELWEISS is a direct non-baryonic cold dark matter detection experiment in the form of weakly interacting massive particles (also known as WIMPs), which currently constitute the most popular candidates to account for the missing mass in the Universe. To this purpose, EDELWEISS uses germanium bolometers at cryogenic temperature (20 mK approximately) in the Underground Laboratory of Modane (LSM) at the French-Italian border. Since 2008, a new type of detector is operated, equipped with concentric electrodes to optimize the rejection of surface events (coplanar-grid detectors). This thesis work is divided into several research orientations. First, we carried out measurements concerning charge collection in the crystals. The velocity laws of the carriers (electrons and holes) have been determined in germanium at 20 mK in the <100> orientation, and a complete study of charge sharing has been done, including an evaluation of the transport anisotropy and of the straggling of the carriers. These results lead to a better understanding of the inner properties of the EDELWEISS detectors. Then, studies relating to the improvement of the performances were carried out. In particular, we have optimized the space-charge cancellation procedure in the crystals and improved the passive rejection of surface events (β). The fiducial volume of the detectors has been evaluated using two X-ray lines from cosmically activated radionuclides: 68Ge and 65Zn. Lastly, an exhaustive study of the low energy spectra has been carried out, which makes it possible to develop a systematic analysis method for the search of low-mass WIMPs in EDELWEISS.

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses. / Astronomical and cosmological observations strongly suggest the presence of an exotic form of non-relativistic, non-baryonic matter that would represent 26% of the actual energy-matter content of the Universe. This so-called cold dark matter would be composed of Weakly Interactive Massive Particles (WIMP). PICASSO (Project In CAnada to Search for Supersymmetric Objects) aims to detect directly one of the dark matter candidates proposed in the framework of supersymmetric extensions of the standard model : the neutralino. The experiment is installed in the SNOLAB underground laboratory at Sudbury (Ontario) and uses superheated C4F10 droplets detectors, a variant of bubble chamber technique. Phase transitions in the superheated liquids are triggered by 19 F recoils caused by the elastic collision with neutralinos and create an acoustic signal which is recorded by piezoelectric sensors. This thesis presents recent progress in PICASSO leading to a substantially increased sensitivity in the search of neutralinos. New fabrication and purification procedures allowed a background reduction of about a factor 10 of the major detectors contamination caused by alpha emitters. Detailed studies allowed to localize these emitters in the detectors. In addition, data analysis efforts were able to improve substantially the discrimination between alpha particle induced events and those created by nuclear recoils. New analysis tools were also developed in order to discriminate between particle induced and non-particle induced events, such as electronic backgrounds and acoustic noise signals. An important new background suppression mechanism at higher temperatures led to the present improved sensitivity of PICASSO at low WIMP masses.