INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) est un satellite de l'Agence Spatiale Européenne, qui est dédié à l'imagerie et la spectroscopie fines dans la bande gamma molle. Sa charge utile est composée de deux instruments principaux : le spectromètre SPI - optimisé pour la détection de rayes fines (20 keV-8 MeV), et le télescope IBIS - optimisé pour l'imagerie a haute résolution (15 keV-10 MeV). Un des but de cette thèse était de fournir à la communauté scientifique un outil nouveau pour l'étude de la variabilité du « ciel gamma ». Cet outil est l'INTEGRAL Burst Alert System (IBAS), qui examine les données d'INTEGRAL à la recherche de sursauts gamma cosmiques (Gamma-Ray Bursts, GRBs, des sources éphémères et brillantes de radiation gamma), les localise et distribue leurs coordonnées en temps réel. Ma contribution à ce système a été de conduire des simulations de l'instrument IBIS/ISGRI avant le lancement d'INTEGRAL, à fin de développer les algorithmes d'imagerie et détection rapide utilisés par IBAS, et d'implémenter, tester et maintenir le logiciel après le lancement. Grâce à ce travail IBAS fournit les meilleures prestations en termes de rapidité et précision de localisation. IBAS a détecté 19 GRBs à présent. Leur analyse détaillée est présentée ici. Du point de vue de l'émission prompte les GRBs d'INTEGRAL ne révèlent aucune nouvelle caractéristique par rapport aux sursauts détectés dans le passé. Ils sont simplement plus faibles et notre analyse a permis de confirmer que beaucoup des aspects observés dans les sursauts plus brillants s'appliquent aussi aux GRBs les plus faibles. À ce propos, on peut noter que la bande énergétique d'IBIS/ISGRI ne permet pas, dans la plupart des cas d'étudier la courbure typique des spectres des GRBs, mais néanmoins elle permet de bien déterminer la pente de la loi de puissance de basse énergie. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus par l'observation de l'émission rémanente des GRBs d'INTEGRAL dans d'autres bandes d'énergie. Grâce à la dissémination rapide des alertes d'IBAS et à la prompte réponse des autres télescopes, on a pu fournir de nouvelles vues des premières phases de l'émission rémanente de sursauts relativement faibles. Le cas de GRB 031203, par exemple, est particulièrement intéressant : pendant l'observation de XMM-Newton de son émission rémanente, un halo variable de diffusion en bande X a été découvert. Ce sursaut a été associé spectroscopiquement avec une Supernova de type Ic (SN 2003lw), et son redshift (z=0.105) le caractérise comme un des sursaut les plus proches et faibles avec une énergie relâchée de ~10^50 ergs. IBAS fournit aussi des alertes en temps réel pour d'autres sources, mis à part les GRBs. Plus de 100 sursauts courts associés au Soft Gamma Repeater SGR 1806-20 ont été détectés, créant ainsi une grande base de données de bonne qualité. En fait, on a pu étudier leurs caractéristiques spectrales et temporelles en détail. On peut résumer nos résultats sur SGR 1806-20 ainsi : (i) pour la première fois on a une bonne évidence d'évolution spectrale des sursaut SGR faibles, qui se traduit dans une anti-corrélation entre dureté et flux à l'intérieur des sursauts ; ce nouveau résultat représente un défi pour le modèle Magnetar, qui prévoit que la température effective du sursaut varie faiblement pendant le sursaut. (ii) le monitorage de la source fait par IBAS indique que son activité est encore en croissance. Une séquence de ~100 sursauts émis en ~10 minutes, a été détectée en temps réel par IBAS le 5 Octobre 2004.

Le Spectromètre Magnétique Alpha (AMS) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale ; il enregistre des données depuis mai 2011. L'expérience a pour objectif d'identifier la nature des rayons cosmiques chargés et des photons et de mesurer leur flux dans la gamme d'énergie du GeV au TeV. Ces mesures permettent d'affiner les modèles de propagation de rayons cosmiques, d'effectuer une recherche indirecte de matière noire, et de chercher l'antimatière primordiale (anti-hélium). Dans ce mémoire, les données des premières années ont été utilisées pour mesurer les flux d'électrons et de leptons (électrons + positons) dans la gamme d'énergie de 0.5 GeV à 700 GeV. L'identification d'électrons nécessite une séparation électrons/protons de l'ordre de 104, obtenue par l'utilisation conjointe des estimateurs de différents sous-détecteurs d'AMS, en particulier du calorimètre électromagnétique (ECAL), du trajectomètre et du détecteur à radiation de transition (TRD). Dans cette analyse, les nombres d'électrons et de leptons sont estimés par un ajustement des distributions de l'estimateur du calorimètre et vérifiés en utilisant l'estimateur du TRD : 11 millions leptons ont été sélectionnés et analysés. Les incertitudes systématiques sont déterminées en variant les coupures de sélection et la procédure d'ajustement. L'acceptance géométrique du détecteur et les efficacités de sélection sont estimées grâce aux données de simulation. Les différences observées sur les échantillons de contrôle issus des données permettent de corriger la simulation. Les incertitudes systématiques associées à ces corrections sont établies en variant les échantillons de contrôle. Au total, à 100 GeV (resp. 700 GeV), l'incertitude statistique du flux de leptons est 2% (30%) et l'incertitude systématique est 3% (40%). Comme les flux se comportent globalement en loi de puissance en fonction de l'énergie, il est important de maitriser la calibration en énergie. Nous avons contrôlé in situ la mesure en énergie du calorimètre en comparant les électrons des données de vol et les données de tests en faisceaux, en utilisant en particulier la variable E/p ou p est la quantité de mouvement mesurée par le trajectomètre. Une deuxième méthode de calibration absolue à basse énergie, indépendante du trajectomètre, basée sur l'effet de la coupure géomagnétique a été développée. Deux modèles de prédiction de la coupure géomagnétique, l'approximation Störmer et le modèle IGRF, ont été testés et comparés. Ces deux méthodes ont permis de contrôler la calibration en énergie à 2% et de vérifier la stabilité des performances du calorimètre dans le temps. / The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector installed on the International Space Station; it starts to record data since May 2011. The experiment aims to identify the nature of charged cosmic rays and photons and measure their fluxes in the energy range of GeV to TeV. These measurements enable us to refine the cosmic ray propagation models, to perform indirect research of dark matter and to search for primordial antimatter (anti-helium). In this context, the data of the first years have been utilized to measure the electron flux and lepton flux (electron + positron) in the energy range of 0.5 GeV to 700 GeV. Identification of electrons requires an electrons / protons separation power of the order of 104, which is acquired by combining the information from different sub-detectors of AMS, in particular the electromagnetic calorimeter (ECAL), the tracker and the transition radiation detector (TRD). In this analysis, the numbers of electrons and leptons are estimated by fitting the distribution of the ECAL estimator and are verified using the TRD estimator: 11 million leptons are selected and analyzed. The systematic uncertainties are determined by changing the selection cuts and the fit procedure. The geometric acceptance of the detector and the selection efficiency are estimated thanks to simulated data. The differences observed on the control samples from data allow to correct the simulation. The systematic uncertainty associated to this correction is estimated by varying the control samples. In total, at 100 GeV (resp. 700 GeV), the statistic uncertainty of the lepton flux is 2% (30%) and the systematic uncertainty is 3% (40%). As the flux generally follows a power law as a function of energy, it is important to control the energy calibration. We have controlled in-situ the measurement of energy in the ECAL by comparing the electrons from flight data and from test beams, using in particular the E/p variable where p is momentum measured by the tracker. A second method of absolute calibration at low energy, independent from the tracker, is developed based on the geomagnetic cutoff effect. Two models of geomagnetic cutoff prediction, the Störmer approximation and the IGRF model, have been tested and compared. These two methods allow to control the energy calibration to a precision of 2% and to verify the stability of the ECAL performance with time.

Le Spectromètre Magnétique Alpha (AMS) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale ; il enregistre des données depuis mai 2011. L'expérience a pour objectif d'identifier la nature des rayons cosmiques chargés et des photons et de mesurer leur flux dans la gamme d'énergie du GeV au TeV. Ces mesures permettent d'affiner les modèles de propagation de rayons cosmiques, d'effectuer une recherche indirecte de matière noire, et de chercher l'antimatière primordiale (anti-hélium). Dans ce mémoire, les données des premières années ont été utilisées pour mesurer les flux d'électrons et de leptons (électrons + positons) dans la gamme d'énergie de 0.5 GeV à 700 GeV. L'identification d'électrons nécessite une séparation électrons/protons de l'ordre de 104, obtenue par l'utilisation conjointe des estimateurs de différents sous-détecteurs d'AMS, en particulier du calorimètre électromagnétique (ECAL), du trajectomètre et du détecteur à radiation de transition (TRD). Dans cette analyse, les nombres d'électrons et de leptons sont estimés par un ajustement des distributions de l'estimateur du calorimètre et vérifiés en utilisant l'estimateur du TRD : 11 millions leptons ont été sélectionnés et analysés. Les incertitudes systématiques sont déterminées en variant les coupures de sélection et la procédure d'ajustement. L'acceptance géométrique du détecteur et les efficacités de sélection sont estimées grâce aux données de simulation. Les différences observées sur les échantillons de contrôle issus des données permettent de corriger la simulation. Les incertitudes systématiques associées à ces corrections sont établies en variant les échantillons de contrôle. Au total, à 100 GeV (resp. 700 GeV), l'incertitude statistique du flux de leptons est 2% (30%) et l'incertitude systématique est 3% (40%). Comme les flux se comportent globalement en loi de puissance en fonction de l'énergie, il est important de maitriser la calibration en énergie. Nous avons contrôlé in situ la mesure en énergie du calorimètre en comparant les électrons des données de vol et les données de tests en faisceaux, en utilisant en particulier la variable E/p ou p est la quantité de mouvement mesurée par le trajectomètre. Une deuxième méthode de calibration absolue à basse énergie, indépendante du trajectomètre, basée sur l'effet de la coupure géomagnétique a été développée. Deux modèles de prédiction de la coupure géomagnétique, l'approximation Störmer et le modèle IGRF, ont été testés et comparés. Ces deux méthodes ont permis de contrôler la calibration en énergie à 2% et de vérifier la stabilité des performances du calorimètre dans le temps. / The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector installed on the International Space Station; it starts to record data since May 2011. The experiment aims to identify the nature of charged cosmic rays and photons and measure their fluxes in the energy range of GeV to TeV. These measurements enable us to refine the cosmic ray propagation models, to perform indirect research of dark matter and to search for primordial antimatter (anti-helium). In this context, the data of the first years have been utilized to measure the electron flux and lepton flux (electron + positron) in the energy range of 0.5 GeV to 700 GeV. Identification of electrons requires an electrons / protons separation power of the order of 104, which is acquired by combining the information from different sub-detectors of AMS, in particular the electromagnetic calorimeter (ECAL), the tracker and the transition radiation detector (TRD). In this analysis, the numbers of electrons and leptons are estimated by fitting the distribution of the ECAL estimator and are verified using the TRD estimator: 11 million leptons are selected and analyzed. The systematic uncertainties are determined by changing the selection cuts and the fit procedure. The geometric acceptance of the detector and the selection efficiency are estimated thanks to simulated data. The differences observed on the control samples from data allow to correct the simulation. The systematic uncertainty associated to this correction is estimated by varying the control samples. In total, at 100 GeV (resp. 700 GeV), the statistic uncertainty of the lepton flux is 2% (30%) and the systematic uncertainty is 3% (40%). As the flux generally follows a power law as a function of energy, it is important to control the energy calibration. We have controlled in-situ the measurement of energy in the ECAL by comparing the electrons from flight data and from test beams, using in particular the E/p variable where p is momentum measured by the tracker. A second method of absolute calibration at low energy, independent from the tracker, is developed based on the geomagnetic cutoff effect. Two models of geomagnetic cutoff prediction, the Störmer approximation and the IGRF model, have been tested and compared. These two methods allow to control the energy calibration to a precision of 2% and to verify the stability of the ECAL performance with time.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie sont les messagers des phénomènes les plus cataclysmiques ayant lieu dans l'Univers. L'énergie portée par ces particules peut atteindre quelques dizaines de Joules et est dissipée dans l'atmosphère terrestre sous forme d'une avalanche de particules secondaires. Les questions portant sur leur origine et leur propagation sont toujours au coeur du débat car elles n'ont toujours pas de réponse définitive. CODALEMA est la pionnière des expériences modernes de détection indirecte des rayons cosmiques à travers l'émission radio des particules chargées de la gerbe. Cette recherche est motivée par la possibilité de caractériser entièrement le rayon cosmique primaire avec des antennes sensibles aux ondes électromagnétiques dans la bande décamétrique, et nettement moins coûteuses que les instruments disponibles actuellement. Ce manuscrit présente les résultats de 3 années consacrées à la mise en opération et l'analyse de données d'un réseau de stations autonomes, qui composent la dernière configuration de CODALEMA. L'étude du bruit de fond a révélé une sensibilité des stations face aux interférences radio d'origine humaine. Des méthodes de réjection de ce bruit ont été développées dans le but de les incorporer dans les prochains circuits électroniques de sélection de signaux transitoires. Les premières données ont montré que la mesure des deux polarisations horizontales du champ électrique est indispensable pour distinguer les mécanismes d'émission radio. De même, une nouvelle paramétrisation de la distribution latérale du champ électrique est discutée.

La thématique des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHEs) est riche de mystères. Nous présentons l'état actuel des connaissances générales sur le sujet, ainsi que les apports et possibilités offerts par l'Observatoire Pierre Auger. Celui-ci nous a apporté plusieurs résultats majeurs dans le domaine : la mesure du spectre d'énergie au delà de quelques EeV et de la coupure à haute énergie avec une grande significativité, la mesure d'observables sensibles à la composition qui montrent un alourdissement avec l'énergie (ou une modification significative de la physique hadronique à la centaine de TeV !), et la mesure d'une anisotropie faible en dehors d'une région centrée sur une source remarquable mais pas forcément concernée, Centaurus~A. Dans la seconde partie de cette thèse, on étudie la propagation des RCUHEs depuis leur source dans le milieu extra-galactique. On étudie l'influence de la composition aux sources et des paramètres de l'accélération sur la forme des spectres à la Terre. On démontre la viabilité d'un modèle astrophysique satisfaisant, dit low-$E_{max}$, qui s'ajuste bien aux données du spectre et de la composition. Un outil numérique de propagation de protons/noyaux, notamment en présence de champs magnétiques, est également présenté dans ce cadre. Nous présenterons aussi (en quatrième partie) une étude indépendante des contraintes apportées par les données angulaires d'Auger sur la densité effective des sources de RCUHEs et leur déflexion dans les champs magnétiques. Une analyse des données par la méthode de percolation est également présentée, et démontre la faible anisotropie des données. Une partie entière est dédiée à la phénoménologie d'un messager secondaire : les photons. On expose leur propagation extra-galactique et l'outil numérique entièrement développé à ce sujet, que l'on intègre dans l'outil existant de propagation de protons/noyaux. Cette intégration aboutit à un code numérique global, véritablement multi-messagers (les neutrinos sont également traités), qui nous permet de disposer d'un outil complet, nous autorisant à fonder un modèle global de concordance capable de satisfaire l'ensemble des contraintes actuelles, dont les limites expérimentales connues sur le flux diffus de photons au TeV (par Fermi/LAT). Celui-ci est discuté dans le dernier chapitre. Nous terminons sur les perspectives offertes par la construction d'un modèle global de RCUHEs.

La matiere sombre est omnipresente a plusieurs echelles de l'univers (galaxie, amas de galaxies, univers dans son ensemble). Cette matiere joue un role important en cosmologie et ne peut etre totalement expliquee par de la physique conventionnelle. Du point de vue de la physique des particules, il existe une extension du modele standard : le modele supersymetrique qui predit l'existence sous certaines conditions de nouvelles particules stables massives interagissant faiblement avec la matiere ordinaire. Outre la recherche active en detecteurs de ces nouvelles particules, il existe de nombreuses signatures indirectes accessibles aux etudes astrophysiques.<br /><br />Cette these se concentre sur une de ces signatures la desintegration de ces particules peut donner des antiprotons que nous devrions voir dans les rayons cosmiques. La presente etude s'interesse a l'evaluation du bruit de fond correspondant a ce signal i.e. les antiprotons issus de l'interactions entre ce rayonnement cosmique noyaux et la matiere du milieu interstellaire. En particulier, la meconnaissance de ce bruit de fond etant principalement due aux incertitudes liees aux parametres de diffusion, la majeure partie de cette these porte sur la propagation des noyaux.<br /><br />Le premier tiers de la these introduit la propagation des rayons cosmiques dans notre galaxie en insistant sur les processus nucleaires responsables de la fragmentation des noyaux. Dans le second tiers les differents modeles de propagation sont passes en revue et en particulier les liens entre le modele du Leaky Box et le modele de diffusion sont rappeles : la reacceleration ainsi que la convection y sont aussi discutees. Ceci donne ensuite lieu a un discussion qualitative sur l'information que nous pouvons extraire de la propagation des noyaux. Dans le dernier tiers, nous presentons finalement les solutions detaillees du modele de diffusion a deux dimensions ainsi que les contraintes obtenues sur les parametres de propagation. L'application de ces parametres au calcul du spectre de fond d'antiprotons secondaires conclut le travail de these.<br /><br />Le code de propagation realise pour les noyaux et les antiprotons sous la forme decrite dans cette these a fait ses preuves en tant qu'outil d'analyse. Son usage sera sans aucun doute d'une grande utilite pour l'experience AMS sur la station spatiale internationale en 2003.

AMS-02 est un spectromètre magnétique conçu pour la détection du rayonnement cosmique chargé et des photons gamma. La mesure en 2013 de la fraction de positons par AMS-02 a confirmé la présence d'une composante de positons primaires, nécessitant l'existence d'une source de positons dans notre Galaxie. Cette thèse s'est exclusivement consacrée à l'étude de ce phénomène, et à la recherche de cette source de positons. La fraction de positons, le flux de positons et le flux d'électrons sont mesurés à l'aide d'une méthode de fit multidimensionnel mis au point lors de cette thèse. Une étude particulière est réservé au phénomène de confusion de charge, important pour la mesure du signe de la charge à haute énergie. La fonction de réponse instrumentale du détecteur est évaluée à l'aide de simulations Monte Carlo et est corrigée par les données réelles du détecteur. Un travail phénoménologique est effectué afin d'interpréter les résultats mesurés. L'interprétation de ces résultats en termes de composante primaire issues d'un pulsar local et du halo galactique de matière noire est effectué. Les implications et l'espace des paramètres autorisé pour chacun des modèles est explicité. Une ré-évaluation des secondaires à l'aide des nouvelles données d'AMS-02, ainsi que l'étude de l'impact de l'erreur expérimentale d'AMS-02 sur ces résultats, est exécuté. / AMS-02 is a magnetic spectrometer design for the cosmic ray and gamma ray detection. The measurement in 2013 of the positron fraction by AMS-02 confirmed the presence of a primary positron component, which means the existence of a galactic primary source of positrons. This thesis is devoted exclusively to the study of this phenomenon. The positron fraction, the positron flux, and the electron flux are measured using a method of multidimensional fit developed during this thesis. The charge confusion phenomenon, which is important at the highest energies, is investigated. The instrumental response function of the detector is evaluated using Monte Carlo simulations and is corrected using the ISS data. A phenomenological work is done to interpret the measured results. The interpretation of these results in terms of primary component from a local pulsar and dark matter halo is done. The implications and the parameter space allowed for each model is detailed. A reevaluation of secondaries with the new AMS-02 data, and the study of the impact of the experimental error of AMS-02 on these results is performed.

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a un siècle par Victor Hess à bord d'un vol scientifique en ballon. La physique des rayons cosmiques et les ballons stratosphériques ont partagé depuis lors une histoire commune, que ce soit pour d'authentiques découvertes ou en utilisant les ballons comme plateformes de test technologique pour de nouvelles missions satellites. Cette thèse, développée au sein de la collaboration JEM-EUSO, traite d'un démonstrateur en ballon stratosphérique. Notre but scientifique final est l'étude des Rayons Cosmiques de Ultra-Haute Energie (RCUHE), les particules les plus énergétiques connues dans l'Univers. Les RCUHES ont des énergies macroscopiques de plus de 10^20eV mais étant extrêmement rares, leurs origines sont encore inconnues. Ces derniers pénètrent notre atmosphère à une fréquence de un par km2 par siècle, produisant une gerbe atmosphérique géante, détectable notamment par la lumière de fluorescence ultraviolette qu'elle émet. Le principe de détection proposé par notre collaboration consiste dans l'utilisation d'un observatoire spatial, JEM-EUSO. Son objectif est d'observer un très grand volume d'atmosphère afin d'enregistrer un nombre significatif des événements ultra-violet de fluorescence initiés par les RCUHEs. Le démonstrateur EUSO-Ballon a été développé par la collaboration JEM-EUSO dans le but de démontrer les technologies et méthodes utilisées par le futur instrument spatial. Le 25 août 2014, EUSO-Ballon a été lâché depuis la base de ballons stratosphériques de Timmins (Ontario, Canada) par la division ballon du CNES. L'instrument a fonctionné pendant toute une nuit astronomique, observant depuis 38km d'altitude la lumière UV provenant de divers types de sols et de centaines de gerbes atmosphériques simulées. Ces dernières ont été produites par des flashers et un laser embarqués dans un hélicoptère volant sous EUSO-Ballon pendant deux heures. Ces résultats ont été rendus possibles par la restitution de l'attitude de l'instrument effectuée à l'IRAP, c'est-à-dire une analyse exhaustive des données du vol des différents appareils de mesure d'attitude de la nacelle du ballon. Une caractérisation précise de chaque sous-système était aussi indispensable à l'exploitation des données du vol. Le système optique innovant, composé de deux grandes lentilles de Fresnel, a été intégré et entièrement testé à l'IRAP. Face au large système réfractif de l'instrument, une nouvelle méthodologie de test a été développée. Les performances de l'optique, efficacité et spot focal, ont ainsi été mesurées et se sont révélées étonnamment différentes des prédictions des modèles numériques. Ces mesures sont utilisées pour l'analyse des données du premier vol et pour mieux comprendre le comportement de ces toutes nouvelles optiques, éléments clés dans la conception de l'instrument JEM-EUSO. / A century ago Cosmic Rays were discovered by Victor Hess during one of the very first scientific balloon flights. Ever since, Cosmic Ray physics and stratospheric balloons have shared a common history - either through genuine discoveries or by using balloon platforms as technology test beds for new satellite missions. This thesis, carried out within the JEM-EUSO collaboration, is about such a pathfinder balloon mission. Our ultimate science goal is the study of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR), the most energetic particles known in the Universe. Having macroscopic energies of over 10^20 eV, UHECRs are of yet unknown cosmic origin and are extremely rare. They penetrate our atmosphere at a rate of about one event per km2 and century, producing energetic atmospheric air showers, detectable through the ultraviolet fluorescence light they emit. The technique that our collaboration proposes for their detection consists of a spaceborne observatory, JEM-EUSO. Its objective is to monitor a very large volume of the Earth's nighttime atmosphere from above, recording a significant sample of ultraviolet light tracks initiated by UHECRs. In order to demonstrate the technologies and methods featured in the future space instrument, the EUSO-Balloon pathfinder has been developed by the JEM-EUSO collaboration. On August 25, 2014, EUSO-Balloon was launched from Timmins Stratospheric Balloon Base (Ontario, Canada) by the balloon division of the French Space Agency CNES. From a float altitude of 38 km, the instrument operated during the entire astronomical night, observing UV-light from a variety of groundcovers and from hundreds of simulated air showers, produced by flashers and a laser during a two-hour helicopter under-flight. These results have been made possible by the restitution of the instruments attitude carried out at IRAP, i.e. an exhaustive analysis of the flight data from various attitude sensors on board of the balloon gondola. Also, a precise understanding of the Fresnel optics was required to analyze the data of the first EUSO-balloon flight. The all new optical system, integrated and tested at IRAP, has been characterized during two measurement campaigns. To test this large refractive system, a new test method has been developed. The optics performance, i.e. the efficiency and point spread function, came as something of a surprise, since none of the numerical models had predicted the observed behavior. These measurements are used in the analysis of the flight data and for the deep understanding of these brand-new Fresnel optics, key element in the design of the JEM-EUSO instrument.

L’objectif de cette thèse est d’améliorer la détermination de la masse des rayons cosmiques d’ultra haute énergie faite à l’Observatoire Pierre Auger. Aujourd’hui cette mesure est faite à travers l’utilisation de télescopes à fluorescence qui nécessitent des conditions de luminosité spéciales réduisantle cycle utile à environ 10%. Trois approches différentes sont proposées:La première approche est une nouvelle analyse. Les muons issus des gerbes horizontales sont déviés par le champ magnétique terrestre. Cette déviation modifie l’empreinte au sol des gerbes atmosphériques et est fonction de la longueur de parcours des muons. Un estimateur de Xμmax, leur point de productionmaximum, qui dépend de la masse du primaire peut être construit.La deuxième approche explore la détection du rayonnement radio émis par les gerbes atmosphériques, une technique similaire à la fluorescence mais sans limitation du cycle utile. La détection du rayonnement de Bremsstrahlung moléculaire est revue et explorée de différentes manières.La troisième approche propose un nouveau type de détecteur pour le réseau de surface, ces détecteurs ayant une réponse distincte aux différentes composantes des gerbes atmosphériques : électromagnétique et muonique. La mesure de la composante muonique est aussi un moyen d’accéder à la nature du primaire.La nouvelle analyse semble un outil prometteur qui peut s’appliquer à tout lot de données. La radio-détection en revanche n’apparaît pas comme une alternative compétitive face aux techniques traditionnelles. Le nouveau détecteur offre de belles perspectives et devrait être considéré pour l'équipementdes futurs observatoires. / The motivation of this PhD thesis is to improve the capabilities to determine the mass composition of the ultra-high energy cosmic rays in the Pierre Auger Observatory. The measure of their mass composition is done with the fluorescence technique, that needs special luminosity conditions that reduce the exposure time to about 10% of the time. Three different approaches are proposed.The first approach is a new analysis. Muons in the horizontal showers are deviated by the magnetic field of the Earth. This deflection is related with different characteristics of the extensive air shower that allow the construction of an estimator to obtain an alternative measure of Xμmax, an observable sensitive to the mass of the primary.The second approach is to explore the detection of the radio emission produced in the extensive air showers, a technique similar to the fluorescente one, but without the limitations in the duty cycle. The detection of the Molecular Bremsstrahlung Radiation emission is revised and investigated from different points of view.The third approach is to propose a new surface detector that obtains different responses to the different components of the extensive air shower: electromagnetic and muonic. The access to the muonic component is another way to access to the composition of the primary particle.The new method of analysis proposed appears as a promising tool to be applied in any data set. The technique of the radio detection did not show clear indications of being an alternative to traditional techniques. The new detector represents a promising alternative to be considered in any future ultra-high energy cosmic rays experiment.

Cette thèse de cosmologie est consacrée à l'étude de l'empreinte de l'énergie noire sur la formation des structures de l'Univers. Je défini et introduit les régions cosmiques compensées comme l'environnement à grande échelle autour des extrema locaux dans le champ de densité. Dans le cas d'un minimum central, cette région peut être identifiée aux vides cosmiques usuels. A l'aide de simulations numériques, je montre que ces régions présentent des propriétés de formes particulières et qu'elles dépendent de la cosmologie. Je montre que la forme moyenne de ces profils de densité ainsi que leur propriétés statistiques peuvent être calculée analytiquement dans l'Univers primordial. En utilisant une dynamique appropriée, je montre qu'il est possible de suivre précisément l'évolution non linéaire de ces structures. Il devient alors possible de reconstruire les profils de matières observés aujourd'hui à partir les profils théoriques primordiaux évolués selon une dynamique appropriée. J’exhibe une propriété fondamentale de ces régions qui maintient constant une taille particulière, le rayon de compensation. Autour de ce point, l'évolution non linéaire du champ de matière peut être suivie analytiquement. En étudiant l'effondrement gravitationnel dans des théories étendues de gravité, je montre qu'il est possible de contraindre efficacement la nature de la gravité et de la cosmologie à partir de l'étude de certaines propriétés spécifiques à ces régions. Ce travail permet à la fois de donner une origine aux profils de matière sur les très grandes échelles cosmiques mais aussi de définir de nouvelles sondes cosmologiques pour tester la nature de notre Univers. / This thesis is devoted to the study of the imprints of dark energy on the formation of the large scale structures in the Universe. I define the spherically compensated cosmic regions as the large-scale environment around local extrema in the density field. For central minimum, this region can be identified with standard cosmic voids. Using numerical simulations, I show that these regions, once properly identified, can be used efficiently to distinguish competitive cosmological models. I show that the average shape of these density profiles and their statistical properties can be analytically computed in the primordial Universe. Using an appropriate dynamical formalism, I show that it is possible to follow the nonlinear evolution of these structures until today. This allows to reconstruct the shape of such large scale regions from first principles. I exhibit a fundamental property of these regions which maintains constant a particular size : the compensation radius. Around this radius, the nonlinear evolution of the matter field can be analytically derived. By studying the gravitational collapse in gravity models beyond General Relativity, I show that it is possible to constrain efficiently both cosmology and the nature of gravity. Beside giving a physically motivated model for both shape and statistical properties of such large scale matter profile, this work also define new cosmological probes that could be used to test the nature of our Universe.