La physique des astroparticules est un domaine de la physique lié a l'étude des phénomènes astrophysiques les plus violents de l'univers comme les trous noirs dans les galaxies actives (AGN) ou les sursauts de rayons gamma (GRB), qui émettent plusieurs messagers cosmiques comme des neutrinos, des ondes gravitationnelles, des rayonnements électromagnétiques et des particules chargées. Pour mieux comprendre ces objets une approche multi-messagers est mise en place au sein de laquelle, l'observation de neutrinos cosmiques est devenue un enjeu majeur. Grâce à ses caractéristiques physiques, les neutrinos permettent d'ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation sur l'univers lointain et de mieux comprendre les phénomènes physiques qui se produisent dans les environnements astrophysiques les plus denses.Cette thèse comporte trois grandes parties. La première partie est composée par trois chapitres consacrés au contexte scientifique dans lequel se développe le reste de la thèse. Dans le premier chapitre sont décrites les motivations scientifiques de la recherche de neutrinos cosmiques de haute énergie. Puis, dans le chapitre 2 sont décrites les caractéristiques principales des noyaux actifs de galaxie (AGN) comme sources potentielles de neutrinos. Ces sources ont été choisies comme objets "test" dans la recherche de sources potentielles. Enfin, le troisième chapitre est consacré au principe de détection et aux principaux résultats des télescopes à neutrinos en opération. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description technique du télescope à neutrinos ANTARES, et est composée de deux chapitres. Le chapitre 4 décrit le télescope ANTARES, l’acquisition et la sélection des données. Dans la dernière partie de ce chapitre, le travail effectué pour mesurer la perte d’efficacité des photomultiplicateurs (PMTs) en utilisant la ligne de base des taux de comptage des signaux est décrite. Le chapitre 5 est consacré à la simulation Monte Carlo. Les différents programmes de simulation utilisés par la collaboration ANTARES sont présentés, et les différents processus simulés sont décrits. Une contribution au programme officiel de génération des événements est décrite, relative à l’implémentation de la propagation des taus ainsi que l’ajout dans la simulation de 15 canaux de décroissance.La troisième partie est consacrée à la recherche de signaux cosmiques potentiels dans les événements enregistrés par ANTARES. Elle comporte 4 chapitres. Le chapitre 6 est une description de la méthode de recherche de signal, le chapitre 7 est dédié présente les principes d’une analyse fondée sur une fonction de corrélation à 2 points qui sera effectuée dans le chapitre 9 afin de chercher un éventuel excès de neutrinos cosmiques dont la distribution spatiale attendue est différente de celle des neutrinos atmosphériques. Cette méthode est particulièrement adaptée pour détecter l’effet collectif produit par des populations de sources ponctuelles faibles. Le chapitre 8 décrit la simulation du flux de neutrinos émis par des sources de type AGN. En utilisant la fonction de luminosité pour plusieurs classes d'AGN obtenu à partir d'observations en rayonnement X de ces objets et l'acceptance d'ANTARES, un ensemble de simulations de neutrinos provenant de populations d'AGN est obtenu en fonction de deux paramètres liés au nombre d'AGN dans la population et à leurs luminosités. L’analyse de ces événements avec la fonction de corrélation à deux points est détaillée dans le chapitre 9. / Astroparticle physics is a branch of physics related to the study of the most violent astrophysical phenomena in the Universe such as Active Galactic Nuclei (AGN) or Gamma Ray Bursts (GRB), which emit different cosmic messengers such as neutrinos, gravitational waves, electromagnetic radiation and charged particles. A proper understanding of these objects involves then a multi-messenger approach, in which neutrinos play a fundamental role. Thanks to their physical properties, neutrinos allow us to explore the physical phenomena produced in the densest astrophysical environments and to observe the Universe at large distances. This thesis is divided into three main parts. The first part is composed by three chapters dedicated to the scientific context in which the rest of the thesis is developed. In the first chapter, the scientific motivations for the search of high energy cosmic neutrinos are described. In chapter 2, a description of the main properties of AGN are given. These sources have been chosen as "test" objects in the research of potential neutrino sources. Finally, the third chapter is dedicated to the detection principle and main results of the currently operating neutrino telescopes. The second part of the thesis is dedicated to the technical description of the ANTARES neutrino telescope, and composed of two chapters. Chapter 4 describes the ANTARES telescope, the data acquisition and the data selection. In the last part of this chapter, the work made to measure the efficiency loss of the photomultipliers (PMTs) by using the baseline rates is described. Chapter 5 is dedicated to the Monte Carlo simulations. The different simulation packages used by the ANTARES collaboration are presented, and the different simulated processes are described. A contribution to the official package for the generation of neutrino interactions, relative to the implementation of the propagation and decay of the tau leptons, is described. The third part is dedicated to the search of potential cosmic signals in the events recorded by ANTARES. It comprises four chapters. Chapter 6 is a description of the signal search method, chapter 7 presents the principles of an analysis based on a 2 point correlation function that will be applied in chapter 9 with the purpose of searching for an excess of cosmic neutrinos characterized by an expected spatial distribution which is different from that of atmospheric neutrinos. This method is well suited for the detection of the collective effect produced by populations of weak point-like sources. Chapter 8 describes the simulation of the neutrino flux emitted by AGN. By using the luminosity function for different AGN classes obtained from X-ray observations, and the ANTARES acceptance, neutrinos coming from AGN populations are simulated as a function of two parameters which are related to the number of sources in the population, and to their luminosities. The analysis of these populations with the 2 point correlation function is detailed in chapter 9.

One of the greatest mysteries of the universe that, for the present, puzzles the mind of most astronomers, cosmologists and physicists is the question: "What makes up our universe?". This is due to how a certain substance named Dark Matter came under speculation. It is believed this enigmatic substance, of type unknown, accounts for almost three-quarters of the cosmos within the universe, could be the answer to several questions raised by the models of the expanding universe astronomers have created, and even decide the fate of the expansion of the universe. There is strong observational evidence for the dominance of non-baryonic Dark Matter (DM) over baryonic matter in the universe. Such evidence comes from many independent observations over different length scales. The most stringent constraint on the abundance of DM comes from the analysis of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. In particular, the WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) experiment restricts the abundance of matter and the abundance of baryonic matter in good agreement with predictions from Big Bang Nucleosynthesis. It is commonly believed that such a non-baryonic component could consist of new, as yet undiscovered, particles, usually referred to as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Some extensions of the standard model (SM) of particle physics predict the existence of particles that would be excellent DM candidates. In particular great attention has been dedicated to candidates arising in supersymmetric theories: the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). In the most supersymmetric scenarios, the so-called neutralino seems to be a natural candidate, being stable in theories with conservation of R-parity and having masses and cross sections of typical WIMPs. The EDELWEISS collaboration is a direct dark matter search experiment, aiming to detect directly a WIMP interaction in a target material, high purity germanium crystal working at cryogenic temperatures. It relies in the measurement of nuclear recoils that produce measurable effects in the crystal such ionization and heat. My PhD thesis is organized as follows. The first chapter aims to provide an introduction to the theoretical framework and the scientific motivation for the following work. The nature of DM has been one of the most challenging topics in contemporary physics since the first evidences of its existence had been found in the 1930s. Cosmologists and astrophysicists on one side, together with particle theorists on the other have put a lot of effort into this field: I will briefly account for their achievements and for the experimental strategies which can be set in this scenario. Since this thesis work was carried out within the EDELWEISS-II direct dark matter experiment, I will focus the next chapter on this topic, describing the main features. The second chapter is related to the set-up of the EDELWEISS-II, the current stage of the EDELWEISS experiment necessary after a first phase that achieved the best upper limit on the WIMP elastic scattering on nucleon as a function of WIMP mass in 2004. [....]

La quête de la nouvelle physique est un défi impliquant à la fois la recherche de particules de matière noire dans les halos galactiques, et celle, aux collisonneurs, de particules dont l’existence est prédite par des théories au-delà du Modèle Standard, telles que la supersymétrie. Alors que les contraintes expérimentales sur ces particules s’intensifient, il devient capital de combiner les limites provenant de ces deux volets afin de guider la suite des recherches. Pour ce faire, il est indispensable d’évaluer et de tenir compte correctement des incertitudes astrophysiques, cosmologiques et nucléaires, pourtant souvent ignorées. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de ces incertitudes et leur impact sur les contraintes obtenues en supersymétrie, ainsi que la complémentarité entre les contraintes des collisionneurs et de matière noire pour la recherche de nouvelle physique. La deuxième partie est consacrée au développement d’outils de calculs pour les détections directe et indirecte de matière noire, conçus afin de prendre correctement en compte les incertitudes astrophysiques et nucléaires, et à leur implémentation dans le code public SuperIso Relic. Enfin la troisième partie du travail concerne l’étude des implications cosmologiques d’une éventuelle découverte de nouvelles particules aux collisionneurs. Nous avons montré qu’il serait possible de tester les hypothèses du modèle cosmologique standard et d’obtenir des informations sur les propriétés de l’Univers primordial à une époque observationnellement inaccessible / The quest for new physics is a challenging task which involves, on the one hand, the search for dark matter particles from space, and on the other hand, the search at colliders for particles predicted by theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry. With the experimental constraints on new particles getting stronger, it becomes crucial to combine the limits from both sectors in order to guide future searches. To this end, it is essential to estimate and take into account correctly the astrophysical, nuclear and cosmological uncertainties, which are most often ignored. The first part of this thesis is dedicated to the study of such uncertainties and to their impact on the constraints applied on supersymmetry. Moreover, we investigate the interplay between the constraints from colliders and dark matter searches in some detail. The second part concerns the development and the implementation in the public code SuperIso Relic of numerical tools for the calculation of direct and indirect dark matter detection constraints which were designed specifically to take correctly into account astrophysical and nuclear uncertainties. Finally, in the third part of this work, we consider the cosmological implications of a hypothetical discovery of new particles at colliders. We show that it would be possible to test the assumptions of the standard cosmological model and to obtain information on the properties of the primordial Universe at an epoch which is beyond observational reach

En dépit des récents succès de la cosmologie observationnelle, la majeure partie de l'univers demeure méconnue: la matière usuelle, dite baryonique, ne représente que 5% du contenu total de l'univers. Dans le modèle cosmologique standard, deux autres composantes complètent notre description: l'énergie noire et la matière noire (respectivement 70% et 25% du contenu total). Dans cette thèse, nous nous intéressons à la matière noire, une nouvelle forme de matière qui doit être non-relativiste, non-baryonique et neutre de charge. Nous avons étudié deux candidats : les WIMPs et les axions. Toutes nos analyses ont été menées au sein de la collaboration EDELWEISS, qui opère des détecteurs sensibles à un éventuel signal de WIMP ou d'axion. Les axions ont d'abord été introduits pour résoudre le problème de la symétrie CP en chromodynamique quantique. Ils peuvent être produits dans le soleil par des processus divers et, dans certains modèles, peuvent contribuer à la densité de matière noire. Nous avons utilisé les données d'EDELWEISS pour la recherche d'axions suivant quatre modes de production-détection distincts. Ces mécanismes font intervenir le couplage des axions aux nucléons, aux photons et aux électrons. Nous n'avons observé aucun excès de signal par rapport au bruit de fond. Ces constatations nous ont permis d'obtenir des contraintes fortes sur la valeur de chaque couplage d'axion et d'exclure plusieurs ordres de grandeur de la masse de l'axion dans le cadre de modèles spécifiques de QCD. Les WIMPs font partie des candidats à la matière noire les plus étudiés. Ce sont des particules interagissant faiblement avec une masse pouvant aller du GeV au TeV. Des modèles théoriques et des résultats expérimentaux récents semblent converger vers des masses faibles (de l'ordre de quelques GeV). à la lumière de ces développements, nous avons donc choisi de privilégier l'étude des WIMPs de basse masse (de 3 à 25 GeV). Nous avons mis en place une analyse multivariée particulièrement adaptée à la recherche de WIMPs de basse masse. Cette analyse a été optimisée sur une fraction de 35 kg.jour du jeu de données EDELWEISS complet. Nous n'avons pas observé d'excès de signal par rapport au bruit de fond attendu. Par conséquent, nous avons calculé une limite supérieure sur la section efficace WIMP-nucléon spin-indépendante de 1.48 × 10⁻⁶ pb à 10 GeV. / In spite of the recent successes of observational cosmology, most of the universe remains poorly known. Known particles (which we call baryons) only make up 5% of the total content of the universe. The standard cosmological model contains two other components: Dark Energy and Dark Matter (respectively 70% and 25% of the total content). Dark Matter, which is generally believed to be a non-relativistic, charge neutral and non-baryonic new form of matter, is the central focus of this work. We studied two likely candidates, namely WIMPs and axions. Our analyses were carried out within the EDELWEISS collaboration which operates detectors sensitive to both WIMP and axion signals. Axions were first introduced to solve the strong CP problem. They can be produced in the Sun through a variety of processes and in some models, they may also contribute to the Dark Matter density. In this work, we used EDELWEISS data to search for axions through four distinct production-detection mechanisms. These mechanisms involve the coupling of axions to nucleons, photons and electrons. No excess over background was found. These null observations allowed us to set stringent constraints on the axion couplings and exclude several orders of magnitude of the axion mass within specific QCD axion models. On the other hand, WIMPs are the canonical dark matter candidate whose mass lies in the GeV-TeV range. With the motivation of recent theoretical developments and possible signal hints, we focused our effort on so-called low mass WIMPs (3 to 25 GeV). This thesis describes a new multivariate analysis specifically designed for this mass range, which we tuned using an unblinded fraction of the data set (35 kg.d) from a single EDELWEISS detector. No significant signal over background excess was found and we set an upper limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross section of 1.48 × 10⁻⁶ pb at 10 GeV.

Orientador: Carola Dobrigkeit Chinellato / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souto_BrunoFontes_M.pdf: 1947654 bytes, checksum: a1d7f70ebf2510a975c39b16829bf94a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O objetivo deste trabalho é aplicar umteste que visa determinar se as direções de chegada dos raios cósmicos de energias mais altas (> 1019 eV) observados pelo Observatório Pierre Auger seguem uma distribuição isotrópica. Sua principal vantagem é dispensar o uso de catálogos de objetos astrofísicos. Igualmente, procura-se uma correlação das direções de chegada com a região conhecida como Plano Supergaláctico. Dá-se ênfase na motivação, interpretação e na visão geral sobre anisotropia de raios cósmicos surgida nos últimos anos. O resultado obtido com os dados atuais neste trabalho é que de fato existe uma anisotropia nas direções de chegada, embora esta ainda seja difícil de caracterizar / Abstract: In this work, we apply a test designed to answer the question of whether the arrival directions of the highest energy (> 1019 eV) events observed by the Pierre Auger Observatory are consistent with being drawn from an isotropic distribution. Its main advantage is that the method does not rely on any catalogue of astrophysical objects. Furthermore, a correlation of the arrival directions with the region known as Supergalactic Plane is investigated. Emphasis is put on motivation, interpretation and on the global picture of cosmic ray anisotropy that has emerged during the last years. The result found so far from the current data in this work is that an anisotropy in the arrival directions indeed exists, even so it is still difficult to characterize / Mestrado / Raios Cósmicos / Mestre em Física

La présence de grandes quantités de matière noire invisible, c'est-à-dire non lumineuse, donc sans couplage avec les photons, autour des galaxies et à l'intérieur de leurs amas, a été confirmée par toute une série d'observations indépendantes au niveau galactique, extragalactique et cosmologique. De quoi cette matière noire est composée représente un des mystères de l'Univers qui intrigue cosmologistes et physiciens des particules. Les modèles supersymétriques proposent des candidats naturels : les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle). Dans la plupart des cas de figure, l'Univers est suffisamment rempli de WIMPs pour qu'il soit possible de les détecter indirectement ou directement. Pendant mon doctorat, je me suis intéressée à la recherche directe de matière noire au sein de la collaboration EDELWEISS. EDELWEISS est une expérience de recherche directe de matière noire, cette dernière interagissant avec la matière baryonique par diffusion élastique. Dans le but de mesurer les énergies des reculs nucléaires dus à ces rares interactions, EDELWEISS emploie des détecteurs cryogéniques à double composante chaleur et ionisation (de type Ge-NTD). Chacun de ces détecteurs est constitué d'un cristal de Germanium de 320g, refroidi à une température de 20 mK. La mesure simultanée de deux signaux chaleur et ionisation permet la discrimination entre les reculs électroniques et les reculs nucléaires, ces derniers étant principalement induits par des WIMPs ou des neutrons. Le coeur de mon travail de thèse a été l'analyse des données du run 8 de physique comportant 11 bolomètres caractérisés par une très bonne stabilité en termes de résolution ligne de base et correspondant à une exposition fiducielle de 93.5 kg.j. Les différentes étapes de l'analyse sont détaillées ci-dessous. J'ai commencé par l'étalonnage des détecteurs cryogéniques avec des sources gamma 133Ba et neutron Am-Be dans le but d'évaluer leurs performances dans l'environnement du nouveau cryostat EDELWEISS-II et de la nouvelle chaîne d'acquisition. Ensuite j'ai traité l'optimisation des méthodes d'analyse et des paramètres de la chaîne de lecture des données. Enfin les résultats sont interprétés en termes de limite sur la section efficace d'interaction d'un WIMP avec un nucléon en fonction de la valeur de sa masse. Pour un seuil en énergie de recul de 30 keV (choisi a priori), 3 événements ont été enregistrés dans la bande de reculs nucléaires, correspondant à une sensibilité de 5*10^-7 pb pour une masse de WIMP de 80 GeV/c^2. J'ai également mené une étude pour comprendre le bruit de fond radioactif résiduel, regardant avec attention le fond gamma et le fond beta provenant du 210Pb. Pour ce dernier, un bolomètre Ge-NTD a été équipé avec une source de 210Pb. Le fond gamma pour des énergies supérieures à 100 keV montre une réduction globale et uniforme d'un facteur deux par rapport à la première phase de l'expérience, EDELWEISS-I, arrêtée en 2004. [....] Cette étude a permis de prédire le nombre de betas de basse énergie attendus pour le run de physique. Cette prédiction se révèle compatible avec le spectre expérimental de trois événements observés dans la zone des reculs nucléaires. Néanmoins cela n'est pas suffisant pour permettre une soustraction du fond, du fait des grandes incertitudes liées au profil de collection de charge et au profil d'implantation du Pb / One of the greatest mysteries of the universe that, for the present, puzzles the mind of most astronomers, cosmologists and physicists is the question: "What makes up our universe?". This is due to how a certain substance named Dark Matter came under speculation. It is believed this enigmatic substance, of type unknown, accounts for almost three-quarters of the cosmos within the universe, could be the answer to several questions raised by the models of the expanding universe astronomers have created, and even decide the fate of the expansion of the universe. There is strong observational evidence for the dominance of non-baryonic Dark Matter (DM) over baryonic matter in the universe. Such evidence comes from many independent observations over different length scales. The most stringent constraint on the abundance of DM comes from the analysis of the Cosmic Microwave Background (CMB) anisotropies. In particular, the WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) experiment restricts the abundance of matter and the abundance of baryonic matter in good agreement with predictions from Big Bang Nucleosynthesis. It is commonly believed that such a non-baryonic component could consist of new, as yet undiscovered, particles, usually referred to as WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Some extensions of the standard model (SM) of particle physics predict the existence of particles that would be excellent DM candidates. In particular great attention has been dedicated to candidates arising in supersymmetric theories: the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). In the most supersymmetric scenarios, the so-called neutralino seems to be a natural candidate, being stable in theories with conservation of R-parity and having masses and cross sections of typical WIMPs. The EDELWEISS collaboration is a direct dark matter search experiment, aiming to detect directly a WIMP interaction in a target material, high purity germanium crystal working at cryogenic temperatures. It relies in the measurement of nuclear recoils that produce measurable effects in the crystal such ionization and heat. My PhD thesis is organized as follows. The first chapter aims to provide an introduction to the theoretical framework and the scientific motivation for the following work. The nature of DM has been one of the most challenging topics in contemporary physics since the first evidences of its existence had been found in the 1930s. Cosmologists and astrophysicists on one side, together with particle theorists on the other have put a lot of effort into this field: I will briefly account for their achievements and for the experimental strategies which can be set in this scenario. Since this thesis work was carried out within the EDELWEISS-II direct dark matter experiment, I will focus the next chapter on this topic, describing the main features. The second chapter is related to the set-up of the EDELWEISS-II, the current stage of the EDELWEISS experiment necessary after a first phase that achieved the best upper limit on the WIMP elastic scattering on nucleon as a function of WIMP mass in 2004. [....]

Les connaissances sur les rayons cosmiques d'ultra haute énergie (E>10^{18} eV) ont progressé durant la dernière décennie, en particulier grâce aux résultats remarquables de l'Observatoire Pierre Auger. La question de la composition du flux de rayons cosmiques à ces énergies reste cependant ouverte. Le projet EASIER (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) de détection radio des gerbes atmosphériques recherche de nouvelles observables liées à la nature du rayonnement cosmique primaire, complémentaires de celles déjà mise en oeuvre à l'Observatoire Pierre Auger. Ce dispositif est constitué d'un réseau d'antennes radio fonctionnant aux fréquences MHz et GHz et installées en mode esclave sur une soixantaine de détecteurs de particules du réseau de surface de l'Observatoire. Après étude de la réponse des détecteurs et analyse des données, les caractéristiques des signaux détectés aux fréquences MHz se sont révélées compatibles avec une origine géomagnétique de l'émission radio des gerbes. Aux fréquences GHz, seuls quelques signaux ont été détectés en coïncidence avec des gerbes atmosphériques. Un programme de simulation a été réalisé dans le but d'identifier l'origine de cette émission micro-ondes. Il inclut le développement de la gerbe dans l'atmosphère et différents mécanismes d'émission aux fréquences GHz : l'effet Cerenkov et le bremsstrahlung moléculaire. La propagation du rayonnement dans l'atmosphère et la réponse de l'antenne réceptrice sont également simulés, ce qui permet une comparaison directe des signaux détectés avec les signaux attendus. / The understanding on the ultra high cosmic rays (E>10^{18} eV) issue has been improved over the last decade, especially through the noteworthy results of the Pierre Auger Observatory. The composition of cosmic rays at those energies is still an open matter. The EASIER project (Extensive Air Shower Identification using Electron Radiometer) on radio detection of extensive air showers is looking for new observables related to the nature of primary cosmic rays, complementary to those already implemented at the Pierre Auger Observatory. This prototype consists of an array of MHz and GHz antennas, set up on a slave mode on about sixty tanks of the surface detector of the Observatory. Further to a study of the antenna response and a data analysis, the features of the detected signals at MHz frequencies have turned out to be compatible with a geomagnetic origin of the shower radio emission. At GHz frequencies, only a few signals have been detected in coincidence with extensive air showers. A simulation program has been created, aiming to identify the origin of this micro wave emission. It includes the air shower development in the atmosphere and different emission mechanisms at GHz frenquencies : the Cerenkov radiation and the molecular bremsstrahlung. The radiation propagation through the atmosphere and the receiving antenna response are simulated as well, allowing to directly compare the detected signals to the predicted ones.

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.

Deux problématiques sont abordées dans cette thèse: la formation de galaxies spirales et la détection de la matière noire (MN).Nous étudions trois simulations cosmologiques hydrodynamiques de haute résolution zoomées sur des halos de propriétés similaires à celui de la Voie Lactée que nous réalisons avec le code à grille adaptative RAMSES. Nous analysons les distributions d'étoiles et de gaz et constatons qu'une de nos galaxies simulées possèdent des propriétés intéressantes par rapport à la Voie Lactée. Nous obtenons un disque stellaire étendu et une courbe de rotation plate avec la vitesse de rotation et la densité locale de MN en accord avec les observations. En ce qui concerne la distribution de MN, nous analysons l'interaction avec les baryons et nous montrons explicitement comment le profil de densité de MN est aplatie par les processus de feedback.Dans le cadre de cette simulation, nous étudions les incertitudes astrophysiques sur la détection directe en analysant les quantités importantes comme la densité locale de MN, sa distribution de vitesse et la vitesse d'échappement locale. De plus, nous considérons plusieurs sélections de distribution de MN et d'étoiles et estimons ainsi la variabilité du taux de détection.Dans le cadre cohérent de la simulation, nous calculons les signaux d'annihilation et de désintégration de MN en rayons gamma ainsi que le fond diffus, que nous modélisons en utilisant les explosions de supernovae comme sources de rayons cosmiques qui produisent les rayons gamma par spallation sur la distribution de gaz. Les configurations de la matière noire et des baryons induisent une situation défavorable à la détection indirecte de la MN. / The thesis tackles two topics: the formation of spiral galaxies and the detection of dark matter (DM).We study three high resolution cosmological hydrodynamical simulations of Milky Way-sized halos including a comparison with the corresponding DM-only runs performed with the code RAMSES. We analyze the stellar and gas distribution and find one of our simulated galaxies with interesting Milky Way like features with regard to several observational tests. We obtain an extended disk and a flat rotation curve with a circular velocity and a DM density in the solar neighborhood that are in agreement with observations. Following observational procedures, we rederive the stellar-to-halo mass ratio and obtain competitive values for this criterion. Concerning the DM distribution, we explicitly show the interaction with the baryons and show how the DM is first contracted by star formation and then cored by feedback processes.In the framework of the simulation, we analyze the astrophysical uncertainties relevant for direct detection by studying the involved quantities like the local DM density, the DM velocity distribution and the local escape velocity . Furthermore, we consider various selections of DM and star distributions and estimate the variability of the detection rate.Within the self-consistent framework of the simulation, we calculate the DM annihilation and decay gamma ray (GR) signals as well as the diffuse GR background, that we model using the supernovae explosions as cosmic ray sources which produce GRs by spallation on the gas distribution. The cored DM profile and the high central baryonic densities induce a challenging configuration for indirect DM detection.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC. / A large number of cosmological and astrophysical measurements supports the fact that our galaxy should be immersed in a halo of non-baryonic dark matter. Directional detection aims at measuring the direction of recoiling nucleus following an elastic scattering with a Dark Matter particle. This should allow us to show the expected strong angular dependence of the recoil distribution due to the rotation of the Solar System around the galactic center. This thesis presents a comprehensive study of directional detection following three different aspects: phenomenology, experimental and data analysis. The goal of the phenomenological studies is to explore the interest of directional detection in terms of galactic dark matter search. With the use of dedicated statistical tools we show that a detector, as the one proposed by the MIMAC collaboration, should be able to discover dark matter with a high significance down to cross sections 2 to 3 orders of magnitude below current limits. Setting up a new strategy of data analysis is a second goal of this thesis as an efficient 3D track reconstruction is compulsory to achieve an accurate directional detection of dark matter. We present a new method based on a likelihood approach aiming at the optimisation of the estimation of the parameters of each measured track: position in the detector volume and direction. In the context of reducing the electronic background, we present a method based on the analysis of the track topology using a boosted decision tree algorithm which enhances the rejection power by a factor 20 with respect to a sequential analysis. In the context of experimental measurement, we present a new method dedicated to the measurement of the electron drift velocity with uncertainties of the order of the percent and constraining the longitudinal diffusion coefficients. Eventually, we discuss the results of a data analysis obtained during an acquisition using a neutron field which validate the detection strategy of the MIMAC experiment.