L'Observatoire Pierre Auger, actuellement en cours de construction en Argentine, étudie les rayons cosmiques dont l'énergie est supérieure à quelques EeV. L'expérience combine deux méthodes de détection des gerbes atmosphériques complémentaires: la mesure de la lumière de fluorescence et l'échantillonnage du profil latéral grâce à un réseau de détecteurs répartis au sol sur une surface d'environ 3000 kilomètres carrés. Les méthodes nécessaires au calcul de l'acceptance, dont la connaissance est cruciale pour établir le spectre d'énergie, ont été développées au cours du travail de thèse, et ont permis de déterminer de manière simple et robuste la surface effective de détection du réseau de surface de l'Observatoire Pierre Auger. L'efficacité de détection dépendant de la nature des rayons cosmiques, il est possible de caractériser leur composition grâce aux données du réseau de surface. Le calcul du spectre d'énergie des rayons cosmiques a été mené, en utilisant plusieurs méthodes pour estimer l'énergie des événements détectés. L'utilisation combinée des détecteurs de fluorescence avec le réseau de surface permet d'établir un étalonnage en énergie pratiquement indépendant des modèles d'interactions hadroniques. L'étude des anisotropies des directions d'arrivées des rayons cosmiques permet d'obtenir des informations précieuses sur leur origine et leur transport depuis leurs sources. Une nouvelle méthode d'analyse simple et efficace a été développée pour estimer les paramètres d'une anisotropie (dipôle et quadripôle) sous-jacente dans les données. Cette méthode est appliquée aux premières données de l'Observatoire Pierre Auger.

Conçu pour mieux comprendre l'origine des rayons cosmiques aux ultra-hautes énergies, l'Observatoire Pierre Auger a commencé une période de prise de données devant s'étendre sur 20 années. Il pourra ainsi obtenir une statistique suffisante aux plus hautes énergies, pour déterminer l'existence ou non de la coupure GZK. Utilisant simultanément deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, l'une au sol et l'autre par détection de la lumière de fluorescence, il devrait permettre de déterminer avec une précision sans précédent, aussi bien l'énergie de ces rayons cosmiques que leurs directions d'arrivée et leur nature. Apres une introduction sur les propriétés générales des rayons cosmiques, les modes de production aux plus hautes énergies sont présentes. Nous nous sommes ensuite attachés à un modèle particulier de production, considérant la désintégration de particules super massives reliques, le but étant de déterminer des contraintes sur les temps de vie de ces particules. Après avoir présenté les principes de détection des gerbes atmosphériques et l'Observatoire Pierre Auger, nous considérons la méthode hybride de détection : la mise en place d'une chaine de simulation et la realisation de tirs lasers hybrides ont permis de determiner les performances associées à ce type de détection ainsi que de vérifier la cohérence en temps des horloges des deux détecteurs, essentielle à la méthode utilisée. Enfin, les données de la phase de preproduction ont permis de vérifier les performances des différents types de reconstruction : par le détecteur de fluorescence seul, le detecteur au sol et par la méthode hybride. A partir de ces données, une première comparaison des énergies ainsi qu'une analyse des anisotropies ont été réalisées.

L'observation de rayons cosmiques d'énergies supérieures à 10^19 eV ne possède pas d'explication satisfaisante actuellement. L'Observatoire Pierre Auger (PAO) a pour objectif l'augmentation significative de la statistique, très faible, de ces rayons cosmiques, grâce à des détecteurs de gerbes atmosphériques situés dans chaque hémisphère, l'un en Argentine et l'autre en Utah, la surface utile de chacun approchant 3000 km² . Ils détecteront d'une part la fluorescence, d'autre part les particules des gerbes, mesurant ainsi les profils longitudinaux et latéraux, qui permettront l'estimation améliorée des observables astrophysiques que sont l'énergie, la direction et la nature des particules primaires. La réussite d'une expérience requiert à la fois la compréhension des signaux collectés et une instrumentation adaptée ; cette thèse expose donc les résultats de simulations de gerbes atmosphériques de haute énergie et leur application à la discrimination entre les natures de particules primaires, ainsi que les éléments du logiciel d'acquisition des stations locales composant les détecteurs de surface du PAO.

In der vorliegenden Arbeit verallgemeinern wir im Wesentlichen zwei Theoreme von Mackaay-Picken und Picken (2002, 2004). Im ihrem Artikel zeigen Mackaay und Picken,dass es eine bijektive Korrespodenz zwischen Deligne 2-Klassen $xi in check{H}^2(M, mathcal{D}^2)$ und Holonomie Abbildungen von der zweiten dünnen Homotopiegruppe $pi_2^2(M)$ in die abelsche Gruppe $U(1)$ gibt. Im zweiten Artikel wird eine Verallgemeinerung dieses Theorems bewiesen: Picken zeigt, dass es eine Bijektion gibt zwischen Deligne 2-Kozykeln und gewissen 2-dimensionalen topologischen Quantenfeldtheorien. In dieser Arbeit zeigen wir, dass diese beiden Theoreme in allen Dimensionen gelten.Wir betrachten zunächst den Holonomie Fall und können mittels simplizialen Methoden nachweisen, dass die Gruppe der glatten Deligne $d$-Klassen isomorph ist zu der Gruppe der glatten Holonomie Abbildungen von der $d$-ten dünnen Homotopiegruppe $pi_d^d(M)$ nach $U(1)$, sofern $M$ eine $(d-1)$-zusammenhängende Mannigfaltigkeit ist. Wir vergleichen dieses Resultat mit einem Satz von Gajer (1999). Gajer zeigte, dass jede Deligne $d$-Klasse durch eine andere Klasse von Holonomie-Abbildungen rekonstruiert werden kann, die aber nicht nur Holonomien entlang von Sphären, sondern auch entlang von allgemeinen $d$-Mannigfaltigkeiten in $M$ enthält. Dieser Zugang benötigt dann aber nicht, dass $M$ hoch-zusammenhängend ist. Wir zeigen, dass im Falle von flachen Deligne $d$-Klassen unser Rekonstruktionstheorem sich von Gajers unterscheidet, sofern $M$ nicht als $(d-1)$, sondern nur als $(d-2)$-zusammenhängend angenommen wird. Stiefel Mannigfaltigkeiten besitzen genau diese Eigenschaft, und wendet man unser Theorem auf diese an und vergleicht das Resultat mit dem von Gajer, so zeigt sich, dass es zuviele Deligne Klassen rekonstruiert. Dies bedeutet, dass unser Rekonstruktionsthreorem ohne die Zusatzbedingungen an die Mannigfaltigkeit M nicht auskommt, d.h. unsere Rekonstruktion benötigt zwar weniger Informationen über die Holonomie entlang von d-dimensionalen Mannigfaltigkeiten, aber dafür muss M auch $(d-1)$-zusammenhängend angenommen werden. Wir zeigen dann, dass auch das zweite Theorem verallgemeinert werden kann: Indem wir das Konzept einer Picken topologischen Quantenfeldtheorie in beliebigen Dimensionen einführen, können wir nachweisen, dass jeder Deligne $d$-Kozykel eine solche $d$-dimensionale Feldtheorie mit zwei besonderen Eigenschaften, der dünnen Invarianz und der Glattheit, induziert. Wir beweisen, dass jede $d$-dimensionale topologische Quantenfeldtheorie nach Picken mit diesen zwei Eigenschaften auch eine Deligne $d$-Klasse definiert und prüfen nach, dass diese Konstruktion sowohl surjektiv als auch injektiv ist. Demzufolge sind beide Gruppen isomorph. / In this thesis we mainly generalize two theorems from Mackaay-Picken and Picken (2002, 2004). In the first paper, Mackaay and Picken show that there is a bijective correspondence between Deligne 2-classes $xi in check{H}^2(M,mathcal{D}^2)$ and holonomy maps from the second thin-homotopy group $pi_2^2(M)$ to $U(1)$. In the second one, a generalization of this theorem to manifolds with boundaries is given: Picken shows that there is a bijection between Deligne 2-cocycles and a certain variant of 2-dimensional topological quantum field theories. In this thesis we show that these two theorems hold in every dimension. We consider first the holonomy case, and by using simplicial methods we can prove that the group of smooth Deligne $d$-classes is isomorphic to the group of smooth holonomy maps from the $d^{th}$ thin-homotopy group $pi_d^d(M)$ to $U(1)$, if $M$ is $(d-1)$-connected. We contrast this with a result of Gajer (1999). Gajer showed that Deligne $d$-classes can be reconstructed by a different class of holonomy maps, which not only include holonomies along spheres, but also along general $d$-manifolds in $M$. This approach does not require the manifold $M$ to be $(d-1)$-connected. We show that in the case of flat Deligne $d$-classes, our result differs from Gajers, if $M$ is not $(d-1)$-connected, but only $(d-2)$-connected. Stiefel manifolds do have this property, and if one applies our theorem to these and compare the result with that of Gajers theorem, it is revealed that our theorem reconstructs too many Deligne classes. This means, that our reconstruction theorem cannot live without the extra assumption on the manifold $M$, that is our reconstruction needs less informations about the holonomy of $d$-manifolds in $M$ at the price of assuming $M$ to be $(d-1)$-connected. We continue to show, that also the second theorem can be generalized: By introducing the concept of Picken-type topological quantum field theory in arbitrary dimensions, we can show that every Deligne $d$-cocycle induces such a $d$-dimensional field theory with two special properties, namely thin-invariance and smoothness. We show that any $d$-dimensional topological quantum field theory with these two properties gives rise to a Deligne $d$-cocycle and verify that this construction is surjective and injective, that is both groups are isomorphic.

Après plus d'un siècle d'études, l'origine des rayons cosmiques d’ultra-haute énergie reste mal comprise. En améliorant la connaissance de la composition des rayons cosmiques détectés sur Terre, il est possible de contraindre les modèles concernant leur origine, ainsi que leur mécanisme de production dans les sources astrophysiques. Les simulations montrent que le champ électrique émis par les gerbes est sensible à leur développement dans l'atmosphère. Ce champ électrique peut être mesuré avec un cycle utile élevé, faisant du signal radio une observable prometteuse pour identifier le rayon cosmique primaire. Le signal radio permet également de mesurer sa direction d'arrivée et son énergie. Depuis 2006, l'observatoire Pierre Auger accueille plusieurs réseaux de radio détection des rayons cosmiques. Des démonstrateurs équipés de quelques stations (RAuger,MAXIMA) ont permis une caractérisation efficace de l'environnement radio du site, ils ont également apporté des contraintes sur les mécanismes responsables de l'émission du champ électrique par les gerbes dans le domaine du MHz. Les prototypes ont mené à la construction d’AERA (Auger Engineering Radio Array) qui, avec 124 stations couvrant 6 km², est le premier réseau grande échelle de radio détection des gerbes dans le domaine du MHz. AERA est déployé dans l'extension basse énergie de l'observatoire afin de bénéficier d'une statistique plus importante. Le réseau permet d'intéressantes mesures hybrides ; son emplacement permet en effet de croiser les données obtenues par la radio avec celles provenant du réseau de surface (SD) et des télescopes à fluorescence (FD) proches du réseau. Cette thèse est dédiée à la caractérisation de signaux transitoires radio détectés par RAuger et AERA. Comme un des défis de la radio détection des gerbes atmosphériques est de supprimer les bruits de fond anthropiques causant des déclenchements accidentels, des méthodes de réjection du bruit de fond et de sélection des coïncidences SD-AERA ont été développées. Une étude de la corrélation entre le développement de la gerbe dans l'atmosphère (profil longitudinal) et le champ électrique mesuré par les stations radio est également présentée. Cette étude valide le lien direct entre le champ électrique et le développement de la gerbe dans l'atmosphère et confirme l’intérêt du signal radio pour l’estimation de la nature des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. / After more than a century of studies, one of the challenging questions related to ultra-high energy cosmic rays concerns their nature, which remains unclear. Improving the knowledge about the composition of cosmic rays will permit to constrain the models concerning their origins and the production mechanisms in the astrophysical sources. Simulations show that, the electric field emitted by the shower is sensitive to its development. This electric-field can be measured with a high duty cycle, and thus is apromising technique to identify an observable sensitive to the nature of the primary cosmic ray. The radio signal is also used to measure its arrival direction and its energy. Since 2006, the Pierre Auger Observatory hosts several radio detection arrays of cosmic rays, starting from small size prototypes (RAuger, MAXIMA) to achieve a large scale array of 124 radio stations: AERA, the Auger Engineering Radio Array covering 6 km². These different arrays allow the study of the radio emission during the development of the shower in the MHz domain. AERA is deployed in the low energy extension of the Pierre Auger Observatory in order to have a larger statistics. It enables interesting hybrid measurements, with the comparison of radio observable with those obtained with the surface detector (SD) and the fluorescence telescopes close to the array. This thesis is dedicated to the characterization of the radio transient signals detected by RAuger and AERA. As one of the challenges of the radio detection of air-shower is to remove the anthropic background causing accidental triggering, methods for background rejection and SD-AERA coincidences selection have been developed. A study of the correlation between the shower development in the atmosphere (longitudinal profile) and the electric-field measured by the radio stations is also presented. This study shows the relationship between the electric-field and the shower development in the atmosphere and confirms that the radio signal is a powerful tool to study the nature of the ultra-high energy cosmic rays.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées, ainsi que des coproduits comme les photons et les neutrinos, issus de sources de rayons cosmiques galactiques ou extragalactiques. Ils arrivent au sommet de l'atmosphère terrestre avec des énergies primaires allant jusqu'à quelques 10 EeV. Lorsque les rayons cosmiques entrent dans l'atmosphère, ils interagissent avec les molécules de l'air et produisent un grand nombre de particules secondaires, créant une gerbe atmosphérique (extensive air shower, EAS). Accompagné des particules secondaires, une émission de la lumière Cherenkov et de la lumière fluorescence est induite par le passage des particules dans l'atmosphère. L'Observatoire Pierre Auger et Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) sont des observatoires dédiés à la détection des gerbes atmosphériques dans le but de répondre aux questions ouvertes concernant les rayons cosmiques, mais se concentrant sur différentes gammes d'énergie, les plus hautes énergies et les énergies autour de quelques PeV. Après plus de 10 ans d'exploitation de l'Observatoire Pierre Auger, la collaboration Auger a proposé une amélioration des détecteurs de son réseau de surface, appelée "AugerPrime". Le but est d'augmenter la sensibilité à la masse des particules primaires en ajoutant un détecteur scintillateur sur le détecteur Cherenkov à eau. Les deux observatoires sont dits «hybrides» car composés de télescopes optiques observant le développement longitudinal des gerbes et des réseaux de détecteurs de surface échantillonnant leurs profils latéraux. Dans cette thèse, une série d'études contribuant aux projets AugerPrime et LHAASO sont présentées. En ce qui concerne le projet AugerPrime, la présente étude comprend le travail de recherche & développement des scintillateurs et l'analyse de données du réseau de tester. Pour le projet LHAASO, des simulations de télescopes Cherenkov et une analyse multivariée des observations hybrides pour l'identification des masses primaires sont présentées. / Cosmic rays are charged particles, as well as coproducts like photons and neutrinos, originated in cosmic-ray sources inside or outside the Galaxy. They arrive at the top of the Earth's atmosphere with primary energies of up to a few 10 EeV. When the cosmic rays enter the atmosphere, they interact with the molecules in the air and produce a large number of secondary particles, creating an extensive air shower (EAS). The ground-based observation of the EAS can be used to deduce the energy, the arrival direction, and the mass composition of cosmic rays. The Pierre Auger Observatory and the Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) are both EAS observatories aiming at solving open questions of cosmic-ray studies but focusing on different energy ranges, the highest-energy and the so-called knee (around few PeV) regions. Based on the experience gained during the operation of the Pierre Auger Observatory for more than 10 years, the Auger collaboration has proposed an upgrade project, called ''AugerPrime'', with the aim of increasing the sensitivity of the surface detector array to the primary mass of cosmic rays. Both observatories employ the so-called ''hybrid detector arrays'' composed of optical telescopes overlooking the longitudinal development and ground detector arrays sampling the signal densities in the lateral direction of the EAS. The ground detector arrays of both observatories are being constructed or upgraded to have various types of particle detectors (scintillator and water-Cherenkov detectors), which allow us to decompose the electromagnetic and muonic components of the EAS. In this thesis, a series of studies contributing to the AugerPrime and LHAASO projects are presented. Concerning the AugerPrime project, the present study includes R&D work of the scintillator detector and data analysis of the engineering array. For the LHAASO project, simulations of the wide field of view Cherenkov telescope array and a multivariate analysis of LHAASO-hybrid observations for the primary mass identification are presented.

Ce document de thèse présente un travail à la fois instrumental et de prospective pour la Physique dans le cadre de l'expérience LHCb, sise auprès de la machine LHC, au Cern, dont la mise en service est prévue au printemps 2008. Collisionneur proton-proton délivrant une énergie dans le centre de masse de 14 TeV, le LHC produira nominalement dans l'expérience LHCb 1012 paires de particules belles par an. Après les succès expérimentaux remarquables enregistrés par les usines à mésons B BaBar (SLAC) et Belle (KEK), le Modèle Standard (MS) de la Physique des Particules accommode correctement l'ensemble des données de la Physique des Saveurs et singulièrement le mécanisme CKM est établi comme la source dominante de violation de la symétrie CP dans les systèmes de particules contenant un quark beau ou un quark étrange. La très grande statistique dont disposera l'expérience LHCb devrait permettre à la fois la scrutation de modes rares particulièrement sensibles à des contributions de Nouvelle Physique et des mesures de précision pour une métrologie améliorée des paramètres pertinents du MS. Dans ce cadre, il sera possible de faire une exploration systématique des propriétés du méson $B{^0} _{s}$. Ce travail de thèse porte sur la faisabilité d'une mesure précise du temps de vie de la composante courte de cette particule par l'étude de sa désintégration $B{^0} _{s}\ to \ D ^{+}_{s} D^{-}_{s}$ dont l'état final est CP pair. Nous avons montré qu'une précision de 2% pouvait être atteinte après une année de prise de données à la luminosité nominale et contraignait significativement la différence de largeurs $ \Delta Gamma _ {s} /Gamma {s}$. L'autre volet de ce travail de thèse concerne la qualification des photodétecteurs qui équipent le détecteur de pieds de gerbe pour lequel l'équipe de Clermont a la responsabilité de l'entièreté de la chaîne de lecture. Le photodétecteur que nous avons retenu est un photomultiplicateur compact 64 anodes produit par la compagnie Hamamatsu. J'ai participé à la caractérisation systématique et à la certification des 100 tubes du détecteur au moyen d'un banc de test spécialement conçu à cette fin. Un élément crucial de ces études à été la mise en évidence d'une diaphonie entre canaux inacceptable au regard des spécifications de physique pour une fraction non négligeable de la production et la sélection finale du nombre de tubes nécessaires qui satisfaisaient tous les critères d'acceptation.

JEM-EUSO est un projet de télescope spatiale dédié à la détection des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHE) (d'énergie supérieure à 10/48 eV) par l'observation de l'émission de lumière ultra-violette produite par l'interaction entre li rayon cosmique et l'atmosphère terrestre. Dans le cadre de ma thèse, j'ai travaillé sur le premier démonstrateur du projet, EUSO-Balloon, une version réduite de l'instrument prévu pour JEM-EUSO portée par un ballon stratosphérique. J'ai participé à l'étalonnage de la surface focale du ballon, composée de 36 photo-multiplicateurs multi-anodes (MAPMT), ainsi qu'à l'intégration de l'électronique de lecture et l'assemblage et les tests de l'instrument complet. J'ai pris part à la campagne de vol qui s'est déroulée à Timmins, au Canada, pour un vol la nuit du 24 août 2014. Pendant le vol, l'instrument a pu observer le flux lumineux en ultra-violet émis et réfléchi par le sol, ainsi que des impulsions laser tirées à partir d'un hélicoptère volant sous l'instrument pendant une partie de la mission et simulant le signal émis par un RCUHE interagissant avec l'atmosphère terrestre. Après le succès du premier vol d'EUSO-Balloon, un second vol est prévu au printemps 2017. Ce vol est prévu pour durer plusieurs semaines, et a pour objectif principal l'observation de RCUHE. Pour préparer ce vol, et à la suite des retours de la première mission, j'ai participé à plusieurs campagnes de tests afin d'améliorer certains aspects technologiques de l'instrument. J'ai également mené des simulations afin d'estimer le nombre d'UHECR que l'instrument détectera pendant un vol de plusieurs semaines / JEM-EUSO is a future space UV telescope dedicated to the observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays( UHECR), through 'the detection of the UV light emitted by the interaction between the UHECR and the Earth atmosphere. The work done during my PhD was focused on EUSO-Balloon, a smaller scale balloon borne prototype of JEM-EUSO with a complete detection chain and Fresnel optics. During my PhD, I took part in the calibration of the focal surface, made up of 36 mufti-anode photomultipliers as well as the integration and full scale tests of the read-out electronics and the whole instrument. I took part of the flight campaign in Timmins, Canada with a flight on the 24`11 of August 2014. During the flight, the instrument was able to observe the UV light emitted and reflected by the ground as well as laser pulses shot from an helicopter flying under the balloon during the first part of the flight to simulate UHECR signal as seen from the instrument. After the success of the first flight of EUSO-Balloon, a second flight o a several weeks is planned for spring 2017, with the goal of observing real UHECR events from above. I took part of several test campaigns to improve the performances of the instrument for the second flight. Finally, I mn a serie of simulations to estimate the number of events the instrument should be able to detect during a several-week flight

Le spectre des rayons cosmiques semble se prolonger au-delà de la coupure GZK ; leur mode de production à ces énergies et leur propagation à travers l'espace ne sont pas bien compris. Malgré des flux extrêmement faibles, ces particules ultra énergétiques sont détectées sur Terre par des gerbes atmosphériques qui arrivent jusqu'au sol. Des simulations tentent de reproduire leur comportement en extrapolant les sections efficaces. L'Observatoire Pierre Auger détecte ces gerbes grâce à des télescopes de fluorescence et un réseau de cuves Cerenkov, qui couvriront finalement 3000 km2, nécessaires pour accumuler suffisamment de statistiques. Le système d'acquisition développé au LPNHE assure la communication avec le réseau et l'enregistrement des données. Un logiciel développé pendant la thèse permet la visualisation et la reconstruction des événements candidats. Les erreurs systématiques et aléatoires ont été identifiées et réduites dans tous les ajustements, afin que la détermination de la direction et de l'énergie du rayon cosmique primaire soit juste et précise. L'identification de la nature du primaire par l'âge de la gerbe améliore ces résultats.

L'Observatoire Pierre Auger a été spécialement conçu pour acquérir une statistique importante de rayons cosmiques d'ultra haute énergie (supérieure à 1019 eV) afin d'en comprendre l'origine. Il associe deux techniques de détection des gerbes atmosphériques, produit de l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère : des télescopes à fluorescence mesurent le profil longitudinal de la gerbe et un réseau de détecteurs au sol échantillonne le profil latéral. Après une présentation sur les rayons cosmiques, la détection des gerbes atmosphériques par l'Observatoire Pierre Auger est exposée. Le troisième chapitre est consacré à la description d'outils qui ont été réalisés dans le cadre de la mise en place de la base de données de l'expérience au Centre de Calcul de l'IN2P3 à Lyon. Nous abordons ensuite les analyses que nous avons pu mener grâce à la mise en place du réseau prototype sur le site sud de l'Observatoire. Dans un premier temps, les événements enregistrés ont permis d'étudier différentes constantes de calibration des détecteurs de surface. Nous nous sommes ensuite consacrés à la reconstruction des événements, 11 mois de prise de données ont été analysés. Enfin, une analyse Monte Carlo a été menée pour déterminer la nature de ces rayons cosmiques. Trois paramètres des gerbes atmosphériques, mesurables par le détecteur de surface et permettant de discriminer entre les différents types de particules primaires, ont été extraits et comparés avec les données du réseau prototype.