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.

QUBIC est une expérience au sol en cours de construction dont le but est de mesurer les modes-B primordiaux du fond diffus cosmologique en utilisant la technique innovante de l’interférométrie bolométrique. Grace à la fusion entre interférométrie et imagerie,QUBIC a une très bonne sensibilité et un excellent contrôle des effets systématiques instrumentaux. De plus, du fait de la dépendance en fréquence du lobe synthétique,QUBIC peut être utilisé comme un spectre-imageur. Ces points pris en compte, la sensibilité globale de QUBIC au rapport tenseur/scalaire est 0.012. L’objectif de cette thèse est de d´écrire le code d’analyse de données de QUBIC, depuis la fabrication de cartes`a partir des données temporelle jusqu’`a la séparation de composantes astrophysique, l’estimation du spectre de puissance angulaire et celle des paramètres cosmologiques.Les aspects essentiels de ce travail sont les suivants: la fabrication de carte qui est très inhabituelle vis à vis des autres projets du domaine et le développement de la stratégie de couverture du ciel pour QUBIC. / QUBIC is a ground-based experiment aiming to measure the primordial B-modes, currently under construction, that uses the novel bolometric interferometry technique. Thanks to the fusion nature of QUBIC, it has very good sensitivity and excellent control of systematics. Moreover, the fact that the synthesized beam depends on the wavelength allows us to treat QUBIC as a spectro-polarimeter. These factors together give sensitivity on tensor-to-scalar ratio r 0.012. The goal of this thesis is to describe the pipeline of data analysis for QUBIC, from map-making of CMB from raw time-ordered data, through component separation and power spectra estimation to cosmological parameter estimation. The main accents of this work are: map-making, which is very unusual in comparison with other experiments in the field, and the development of scanning strategy for QUBIC.

L'étude de la double désintégration bêta sans neutrinos joue un rôle important dans plusieurs questions en physique des particules et cosmologie. Ce processus nucléaire hypothétique viole la conservation du nombre leptonique par deux unités et jusqu'à présent il est le seule moyen pratique pour dévoiler la nature du neutrino : sa détection implique forcement que neutrino et antineutrino sont la même particule. En outre, le taux de décroissance est sensible à la masse efficace de Majorana du neutrino, du coup à l'échelle absolue des valeurs propres de la masse et leur hiérarchie. La marque expérimentale de la DDB0ν est un pic monochromatique dans le spectre énergétique de la somme des deux électrons émis. Le but des expériences de prochaine génération est une sensibilité sur la masse efficace du neutrino de l'ordre de dizaines de meV, c'est-à-dire demi-vies de l'ordre de 10²⁷-10²⁸ années : en pratique, il s'agit de construire des sources de quelques centaines de kg d'isotope candidat, au moins, et les sonder par des détecteurs très efficients, tout en gardant le bruit de fond dans la région énergétique d'intérêt au niveau d'un coup/tonne/an. Les bolomètres luminescents sont une technique prometteuse vu leur excellentes résolutions énergétiques, haute efficacité de détection, ample choix pour les matériaux et extensibilité modulaire à grande échelle; de plus, grâce à la détection simultanée de chaleur et lumière produites par l'interaction des particules, il est possible de discriminer les contaminations α, dangereuse source de bruit aux énergies d'intérêt pour plusieurs noyaux candidats à la DDB0ν. Cette thèse a été effectuée dans le contexte de l'expérience LUMINEU : une expérience pilote qui a pour but la construction d'une expérience de prochaine génération basée sur les bolomètres scintillants en molybdate de zinc, pour l'étude de l'isotope candidat ¹⁰⁰Mo. En vue de la construction d'une expérience à grande échelle, il est nécessaire d'effectuer des caractérisations systématiques pour s'assurer des performances et de la reproductibilité des détecteurs et leurs composantes. La disponibilité d'installations expérimentales en surface, facilement accessibles, est souhaitable pour des tests routiniers : j'ai mené la plupart des expériences au CSNSM, où j'ai aussi travaillé à l'installation d'un nouvel cryostat à dilution basé sur la technologie du Pulse-Tube. Une partie de ma thèse a concerné l'étude de détecteurs bolométriques de lumière aux absorbeurs en germanium et thermomètres NTD (thermistors Neutron Transmutation Doped) : une structure standard pour LUMINEU a été établie et on a mesuré les performances des bolomètres telles que sensibilité, résolution énergétique, bruit de base et reproductibilité. Les résultats sont satisfaisants en vue d'un emploi dans une expérience avec bolomètres scintillants, bien que la configuration soit très sensible à la microphonie. En outre, j'ai testé avec succès des détecteurs bolométriques de lumière exploitants l'effet Neganov-Luke, qui augmente le rapport signal-bruit au niveau compatible avec la détection de la lumière Cherenkov pour la discrimination des événements. Une autre partie a vu la caractérisation des bolomètres scintillants en molybdate de zinc avec masse allant jusqu'à environ 300 g : couplés aux capteurs de lumière susmentionnés et lus par thermistors NTD, ils ont été refroidis en surface au CSNSM et en endroit souterrain à Modane, dans l'installation de l'expérience EDELWEISS pour la Matière Noire. Grâce à la détection simultanée de lumière et chaleur, les interactions des particules β/γ sont séparées des contaminations α. Les résultats démontrent que la caractérisation de bolomètres massifs, presque la taille cible des détecteurs finaux, est possible même en surface, en dépit du rayonnement cosmique. En outre, ces tests ont permis d'optimiser la compatibilité de l'installation de Modane avec les exigences des bolomètres scintillants pour la recherche de la DDB0ν. / Neutrinoless Double Beta Decay (0νDBD) is regarded as an important key in the decryption of some hot astroparticle and cosmological enigmas: it violates lepton number by two units and it is currently the only known practical way to shed light on the neutrino nature, being possible only in case of a Majorana neutrino, identical to its antiparticle. Moreover, the 0νDBD rate is sensitive to the effective neutrino mass, so it would be useful to define the absolute neutrino mass scale and hierarchy. The experimental footprint of 0νDBD is a monochromatic peak in the sum energy spectrum of the two emitted electrons. Next-generation experiments aim at reaching a sensitivity on the effective neutrino mass of the order of ten meV, corresponding to half lives in the range 10²⁷-10²⁸ years: this means to be able to gather, at least, a few hundred kilograms of 0νDBD candidate isotope source and to efficiently scrutinize it with very sensitive detectors. Meanwhile, background levels in the energy region of interest of the 0νDBD signal should be lowered to less than one count/ton/y. Cryogenic luminescent bolometers are a promising technique for 0νDBD search, as they feature excellent energy resolutions, high detection efficiency, flexibility in the material choice and easy scalability to large modular experiments; furthermore, the simultaneous read-out of heat and light signals produced by particle interactions provides an active discrimination method against the dangerous α contaminations, populating the 0νDBD energy region of several interesting candidate isotopes. The work presented in this dissertation was carried out in the context of the LUMINEU project: a pilot experiment focused on zinc molybdate scintillating bolometers, to define the strategies for the construction of a next-generation experiment based on the 0νDBD candidate ¹⁰⁰Mo. In view of the construction of a large 0νDBD experiment, involving hundreds of modules, systematic cryogenic measurements have to be performed to ensure good performance and reproducibility of the detectors and their components. Aboveground facilities are preferred for routinary tests because of their easier accessibility: most of the tests were carried out at CSNSM, where I also worked on the setup of a new cryogenic apparatus, based on the Pulse-Tube technology. One part of my thesis work saw the study of bolometric light detectors based on germanium absorbers and Neutron Transmutation Doped (NTD) thermometers: a proper design was developed in view of LUMINEU and the devices were characterized in terms of sensitivity, energy resolution, baseline noise and reproducibility. The results are compatible with a 0νDBD search final experiment, though this detector configuration is very sensitive to vibrational noise. In addition, the feasibility of bolometric light detectors based on NTD thermometers and Neganov-Luke amplification was investigated, demonstrating that this technique can actually boost the signal-to-noise gain to a level compatible with event discrimination based on Cherenkov light detection. Another part of my work dealt with the test of scintillating zinc molybdate bolometers of mass up to ~300 g, coupled to the aforementioned light detectors and operated both in the aboveground facilities at CSNSM and underground at Modane, in the cryostat of the EDELWEISS Dark Matter search experiment. Good event discrimination capability was achieved: thanks to double read-out of heat and light, it is possible to identify α particles, the threatening background for 0νDBD interests, against β/γ interactions. The results proved the possibility to pre-characterize aboveground detectors of mass close to the one of a final experiment module, despite the high cosmic rays rates. Besides, the measurements opened the way to the mutual compatibility of the underground setup, conceived for another kind of experiment, and LUMINEU 0νDBD search detectors.

Nous étudions un mélangeur d'ondes térahertz (THz) réalisé avec le supraconducteur à haute température critique YBaCuO en couches ultraminces (10 à 50 nm). Le travail vise à concevoir un démonstrateur portable pour la détection hétérodyne térahertz passive, avec une cryogénie simplifiée à 60-80 kelvin (projet ANR MASTHER).Le principe de détection est le bolomètre à électrons chauds (HEB) jusqu'à présent développé avec des supraconducteurs à basse température critique. L'effet HEB est mis en ¿uvre dans une constriction en YBaCuO (quelques centaines de nm de dimensions latérales). Cette structure conduit à un détecteur THz sensible et rapide (bande passante instantanée de 100 GHz). Le rayonnement THz est couplé à la constriction par une antenne planaire large bande.En premier lieu, les échanges thermiques entre réservoirs d'électrons et de phonons (YBaCuO et son substrat) sont modélisés. Nous établissons ainsi les conditions optimales pour le HEB en termes de dimensions de la constriction et de puissance de l'oscillateur local requises pour un mélange performant (gain et bruit). Par rapport aux modèles antérieurs, nous introduisons une approche de "point chaud" nouvelle incluant l'influence de la fréquence THz dans YBaCuO, ainsi que l'adaptation d'impédance entre la constriction et l'antenne. En second lieu, nous décrivons l'optimisation des étapes de micro-fabrication des HEB, en particulier les lithographies électronique et optique, pour obtenir des constrictions de 300 nm de côté. De premiers dispositifs ont été testés en détection directe infrarouge. Les performances entre des couches d'YBaCuO ultraminces préparées suivant différentes techniques sont comparées. / We report on the development of a terahertz (THz) wave mixer made from high critical temperature superconducting YBaCuO ultrathin films (10 to 50 nm). The work is part of the MASTHER ANR project aiming at a portable demonstrator for passive terahertz heterodyne detection, implementing simplified cryogenics (60 to 80 kelvin). The detection principle is that of the hot electron bolometer (HEB) so far mainly developed with low critical temperature superconductors. The HEB effect is implemented in an YBaCuO constriction (a few hundred nm in lateral dimensions). This structure can lead to a sensitive and fast THz detector (theoretical instantaneous bandwidth of 100 GHz). The THz radiation is coupled to the YBaCuO constriction by means of a wideband planar antenna. The new aspects first concern the modeling of heat exchange between electrons and phonons reservoirs (YBaCuO and its substrate). Our results establish the optimum operating conditions in terms of dimensions of the constriction and the local oscillator power required for high performance THz mixing (conversion gain and noise temperature). We are introducing in particular a new "hot spot" modeling approach, which takes into account the influence of the terahertz frequency in the YBaCuO material and the impedance matching between the antenna and the constriction. Second, we have developed and optimized the HEB micro-fabrication process in clean room, especially the electronic and optical lithography steps, to obtain constrictions of 300 nm lateral size. Our first devices have been tested by direct detection in the infrared. The performance between YBaCuO ultrathin films prepared using various techniques are compared.

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