Les noyaux actifs de galaxie (NAG) sont les objets les plus énergétiques de l'univers. Cette incroyable puissance provient de l'énergie gravitationnel de matière en rotation autour d'un trou noir super-massif siégeant au centre des galaxies. Environ 10% des NAG sont pourvus de jets relativistes émanant de l'objet central (trou noir et matière environnante) et s'étalant sur des échelles de l'ordre de la galaxie hôte. Ces jets sont observés à toutes les longueurs d'ondes, de la radio aux rayons gamma les plus énergétiques. En dépit de nombreuses études et d'instruments de plus en plus précis depuis leur découverte dans les années 1950, les NAG sont encore très mal compris et la formation, la composition et l'accélération des jets sont des questions encore pleinement ouvertes. Le modèle le plus répandu visant à reproduire l'émission des NAG, le modèle "une zone" repose souvent sur des hypothèse ad-hoc et ne parvient pas à apporter une modélisation satisfaisante.Le paradigme du "two-flow" (deux fluides) développé à l'IPAG et basé sur une idée originale de Sol et al (1989) a pour but de fournir une vision unifiée et cohérente des jets de NAG. Cette théorie repose sur une l'hypothèse principale que les jets seraient en fait composés de deux fluides co-axiaux: une colonne centrale composée d'un plasma purement leptonique (électrons/positrons) se déplaçant à des vitesses relativistes et responsable pour la grande partie de l'émission non thermique observée entourée par une enveloppe composée d'un plasma baryonique (électrons/protons), régie pas la magnéto-hydrodynamique, se déplaçant à des vitesses sous-relativistes mais transportant la majorité de l'énergie. Cette hypothèse est basée sur des indices observationnels ainsi que sur des arguments théoriques et permet d'expliquer nombre des caractéristiques des NAG.Afin d'étudier plus en profondeur le paradigme du two-flow, un modèle numérique basé sur ses concepts et produisants des observables comparables aux observations est nécessaire.Durant ma thèse, j'ai participé au développement de ce modèle, m'intéressant notamment à la diffusion Compton inverse de photons provenant de l'extérieur du jet. Ce processus, primordial dans la modélisation des NAG, est aussi central dans le paradigme du two-flow car il est à l'origine de l'accélération de la colonne via l'effet fusée Compton. Pour cela, j'ai du développer des nouvelles approximations analytiques de la diffusion Compton d'une distribution thermique de photons.En m'intéressant à l'effet fusée Compton, j'ai pu montré que dans le champ de photon thermique d'un NAG, le facteur de Lorentz d'ensemble du plasma pouvait être sujet à des variations le long du jet en fonction de la distance à l'objet central. Ces variations peuvent avoir un effet important sur l'émission observée et peuvent induire de la variabilité spatiale et temporelle. J'ai également montré que les facteurs de Lorentz terminaux obtenus étaient compatibles avec les conditions physiques attendus dans les jets et avec les observations.Le modèle complet produit des DES directement comparables aux observations. Néanmoins, le modèle est par nature erratique et il est quasiment impossible de relier directement les paramètres du modèles avec les DES produites. Malheureusement, les procédures standards d'adaptation automatique aux données (e.g. basé sur les méthodes de gradient) ne sont pas adaptées au modèle à cause de son grand nombre de paramètres, de sa non-linéarité et du temps de calcul important. Afin de palier à ce problème, j'ai développé une procédure d'adaptation automatique basée sur les algorithmes génétiques. L'utilisation de cet outil a permis la reproduction de plusieurs DES par le modèle. J'ai également montré que le modèle était capable de reproduire les DES observées avec des facteurs de Lorentz d'ensemble relativement bas, ce qui pourrait potentiellement apporter une harmonisation entre les observations et les nécessités théoriques. / Active galactic nuclei (AGN) are the most energetic objects known in the universe. Their fantastic energy is due to efficient conversion of gravitational energy of mass accreted on super-massive black-holes at the center of galaxy into luminous energy. 10% of AGN are even more incredible as they display relativistic jets on galaxy scales. Those jets are observed at all energies, from far radio to highest gamma-rays. Despite intense study since their discovery in the 50's and more and more observations, favored by rapid progress in instrumentation, AGN are still widely misunderstood. The questions of formation, composition, and acceleration of jets are central but still a matter of debates. Models aiming at reproducing observed emission have been developed throughout the years. The most common one, the one-zone model, often relies on ad hoc hypothesis and does not provide a satisfactory answer.The two-flow paradigm developed at IPAG and based on an original idea from Sol et al (1989) aims at giving a more coherent and physical representation of AGN jets. The principal assumption is that jets are actually composed of two coaxial flows: an inner spine made of a pure pair plasma, moving at relativistic speed and responsible for the non-thermal observed emission surrounded by an external sheath, made of a baryonic MHD plasma, midly relativistic but carrying most of the power. The two-flow paradigm finds roots in observations as well as theoretical arguments and has been able to explain many AGN features.During my PhD, I studied this paradigm and contributed to the development of a numerical model based on its concepts. I have been particularly interested in the inverse Compton scattering of thermal photons, fundamental process in the modeling of AGN emission, as well as the Compton rocket effect, key to the acceleration of the spine in the two-flow paradigm.However, taking into account the inverse Compton emission, with the complete cross-section (including the Klein-Nishina regime) and the anisotropy can be very time consuming. To accomplish fast and efficient computation of the external Compton emission, I have had to formulate new analytical approximations of the scattering of a thermal distribution of photons.I have also studied the Compton rocket effect, responsible for the acceleration of the inner spine in the two-flow paradigm. I showed that the resulting bulk Lorentz factor of the flow in the complex photon field of an AGN is subject to variations along the jet as a function of the distance to the central engine. These variations can have drastic effects on the observed emission and could induce variability, both spatially and temporally.I also showed that the terminal bulk Lorentz factor obtained are compatible with physical conditions expected in jets and with observations.The complete model produce spectral energy distribution (SED) comparable to observed ones. However, the model is by nature erratic and it is difficult to make a direct link between the model parameters (input) and the SED (output). Unfortunately, standard data fitting procedures (e.g. based on gradient methods) are not adapted to the model due to its important number of parameters, its important computing time and its non-linearity. In order to circumvent this issue, I have developed a fitting tool based on genetic algorithms. The application of this algorithm allowed me to successfully fit several SED. In particular, I have also showed that the model, because based on a structured jet model, can reproduce observations with low bulk Lorentz factor, thus giving hope to match observations and theoretical requirements in this matter.

Ce manuscrit décrit mon travail de thèse au sein de l’expérience CMS du collisioneur LHC. Il présente les deux sujets sur lesquels j’ai travaillé : un sujet orienté détecteur et un sujet orienté analyse de données. Le premier sujet, orienté détecteur, se situe dans le cadre du projet HL-LHCqui prévoit une augmentation de la luminosité instantanée d’un facteur cinq. Une telle augmentation et la conservation du système de haut niveaudu déclenchement (HLT), engendre de nouvelles contraintes sur le détecteurCMS. Notamment au niveau du système de déclenchement électronique. Lacollaboration CMS envisage d’implanter ce dernier au sein du détecteur detraces. Deux méthodes de déclenchement sont proposées : la méthode des modules empilés et la méthode des mémoires associatives. La méthode desmémoires associatives necessite toutefois une présélection intéligente des signauxélectriques pour être utilisable. La méthode de la largeur des amas estproposée conjointement par l’équipe de Fabrizio Palla (Pise) et par l’équipede Didier Contardo (IPNL) pour présélectionner les signaux. L’optimisation de cette méthode, en particulier des paramètres géométriques des modules etdes seuils appliqués pour la présélection des signaux électrique, est le résultatde mon travail. Il est détaillé tout au long de la partie III de ce manuscrit. Le deuxième sujet concerne l’analyse des données récoltées par CMS durant l’année 2011. Cette analyse a pour objectif de rechercher de nouvellesparticules dans le spectre de masse invariante top anti-top. De par sa grande masse, proche de la brisure électrofaible, le quark top joue un rôle prépondérantdans de nombreuses extensions du Modèle Standard. L’observation de résonances étroites dans le spectre pourrait en être le signe. L’analyseest subdivisée en trois parties : la sélection des évènements top anti-top, la reconstruction de la masse invariante top anti-top et une étude statistique pour quantifier la présence de nouvelle physique. Les résultats de ce travailsont des limites sur la section efficace de production de nouvelles particules.Ils sont présentés dans la partie IV du manuscrit. / This manuscript describes my thesis work within the CMS experiment ofthe LHC collider. It presents both subjects on which I worked : a detectorsubject and a data analysis subject. The first subject, detector, is situated within the framework of the HL-LHCproject which plans an increase by a factor five the instantaneous luminosity.Such an increase and the preservation of the high level trigger (HLT)system, generate new constraints on the CMS detector. This is particularly true for the electronic trigger (L1) system. The CMS collaboration intends to implant this within tracker detector. Two methods are proposed : the stubmodules method and the associative memorie method. However, associativememorie method require a clever preselection of electric signals to be usable.The cluster width method is jointly proposed by Fabrizio Palla’s team (Pisa) and by Didier Contardo’s team (IPNL) to preselecte electric signals. The optimization of this method, in particular geometrical parameters of modules and thresholds applied for the electric signals preselection, is the result of myown work. It is detailed throughout the part III of this manuscript. The second subject concerns the analysis of data collected by CMS during 2011. This analysis has for objective to look for new particles in the spectreof anti-top top invariant mass. Due to its big mass, close to the electroweak symmetry breaking energy, the top quark plays a important role in numerous extensions of the Standard Model. The observation of narrow resonances in the spectre could be the sign of new particles. The analysis is subdivided into three parts, the selection of top anti-top events, the reconstruction of top anti top invariant mass and a statistical study to quantify the presence of new physics. The results of this work are limits on the cross-section productionof new particles. They are presented in the part IV of this manuscript.

Cette thèse présente une analyse de données collectées par le détecteur CMS, dont le but est la recherche de nouvelle physique dans des états finaux qui violent la conservation de la saveur leptonique. Elle commence avec une discussion du Modèle Standard de la physique des particules, en insistant sur la conservation de la saveur leptonique dans ce modèle, et sur la violation de cette conservation qui découle d’un grand nombre de modifications du Modèle Standard. Les problèmes non résolus en physique des particules sont présentés, ainsi que certains des modèles de nouvelle physique qui y répondent, et qui impliquent une violation de la conservation de la saveur leptonique. Nous discutons notamment la supersymétrie avec violation de la R-parité, des modèles avec des dimensions supplémentaires, et des modèles avec une symétrie de jauge U(1) supplémentaire. Ensuite, le LHC, le détecteur CMS, son système de déclenchement et son logiciel de reconstruction des événements sont tous décrits en détail. Les données analysées correspondent à une luminosité intégrée de 137 /fb collectée par CMS pendant trois années du Run 2 du LHC (2016-18), à une énergie du centre de masse √s = 13 TeV. La stratégie d’estimation du bruit de fond est de simuler tous les processus avec de vrais leptons dans l’état final, mais des méthodes basées sur les données sont utilisées pour les principaux bruits de fond où les leptons sont en fait des particules mal identifiées. Des facteurs de correction sont appliqués aux simulations afin de tenir compte d’effets expérimentaux et de calculs théoriques plus précis. Les données s’avèrent être compatibles avec les estimations du bruit de fond, en tenant compte des incertitudes, et une analyse statistique est faite afin d’exclure des modèles de nouvelle physique à un niveau de confiance de 95 %. Pour le modèle de référence, un boson Z’ avec des désintégrations qui ne conservent pas la saveur leptonique, les limites inférieures sur la masse de la résonance sont respectivement 5.0 TeV, 4.2 TeV et 4.1 TeV pour les états finaux eμ,eτ et μτ .C’est la première analyse CMS de ce genre dans les états finaux eτ et μτ ,et dans tous les canaux les résultats sont des améliorations considérables par rapport aux meilleurs résultats précédents. / This thesis presents a novel search for new physics in lepton flavor violating final states, using the CMS detector. There is first a discussion of the Standard Model of particle physics, with a particular emphasis on the issue of lepton flavor conservation, and how often that conservation is violated when generic modifications of the Standard Model are performed. The questions left unanswered by the Standard Model are presented, as well as some new physics models which resolve them, and in so doing imply the existence of processes violating charged lepton flavor conservation. R-parity violating supersymmetry, models with large extra dimensions,and models with an extra U(1) gauge symmetry are discussed. The Large Hadron Collider, the CMS detector, its trigger system and event reconstruction software are all described in detail. The data used for the analysis corresponds to an integrated luminosity of 137 /fb collected by CMS during three years of LHC Run 2 (2016-18), at a center-of-mass energy √s = 13 TeV. The background estimation strategy is to use simulations for all processes with real leptons, while large-yield processes with misidentified leptons are estimated with data-driven methods. The simulations are corrected by scale factors accounting for experimental calibration and more precise theoretical calculations. After comparing the observed data and the expected background, no evidence of new physics is found, and a statistical analysis is performed to exclude new physics models at the 95 % confidence level. For the benchmark lepton flavor violating Z’ model, the lower limit in the eμ (respectively eτ ,μτ ) final state on the resonance mass is 5.0 TeV (resp. 4.2 TeV, 4.1 TeV). Such an analysis had never been performed in the tau channels with the CMS detector, and in all channels these results considerably improve on the previous state-of-the-art results. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G. / Abstract : Single Photon Avalanche Diodes (SPAD) generate much interest in applications which require single photon detection and excellent timing resolution, such as high energy physics and medical imaging. In fact, SPAD arrays such as Silicon PhotoMultipliers (SiPM) are gradually replacing PhotoMultiplier Tubes (PMT) and Avalanche PhotoDiodes (APD). There is now a trend moving towards SPAD arrays in CMOS technologies with smart pixels control for high timing demanding applications. Making SPAD in commercial CMOS technologies provides several advantages over optoelectronic processes such as lower costs, higher production capabilities, easier electronics integration and system miniaturization. However, the major drawback is the lack of flexibility when designing the SPAD architecture because all fabrication steps are fixed by the CMOS technology used. Another drawback of CMOS SPAD arrays is the loss of photosensitive areas caused by the CMOS circuits integration. This document presents SPAD design, characterization and optimization made in a commercial CMOS technology (Teledyne DALSA 0.8 µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Custom process variations have been performed in partnership with the CMOS foundry to optimize the SPAD while keeping the CMOS line compatibility. The realized SPAD and SPAD arrays are dedicated to 3D integration with either low-cost TDSI CMOS electronics or advanced deep sub-micron CMOS electronics to perform a 3D digital SiPM (3D-SiPM). The novel 3D-SiPM is intended to replace PMT, APD and commercially available SiPM in timing demanding applications. The group main objective is to develop a 10 ps timing resolution 3D-SiPM for use in high energy physics and medical imaging applications. Those applications require reliable technologies with a certified production capability, which justifies the actual effort to use commercial CMOS line to develop our 3D-SiPM. This dissertation focuses on SPAD design, characterization and optimization made in the TDSI-CMOSP8G technology.

La formation et l'activité des objets compacts, tels que Trous Noirs ou étoiles à Neutrons, s'accompagne couramment d'éjection de matière ionisée sous forme de jets à la vitesse proche de celle de la lumière (vitesses relativistes). Se propageant dans le milieu environnant, par exemple Milieu Interstellaire, ces jets conduisent inéluctablement à la formation d'ondes de choc relativistes. Une forte turbulence magnétique et une population d'électrons accélérés sont requises afin de tenir compte de l'émission radiative non-thermique de ces chocs. L'approche naturelle de ce problème, décrivant de manière auto-consistante la structure du choc non-collisionnel, est celle de la physique cinétique des plasmas en régime relativiste. L'aspect essentiel de cette approche est l'étude du précurseur du choc, sous forme d'un faisceau de protons très énergétiques. Un ensemble d'instabilites plasma y prend lieu et dissipe l'energie du choc sous forme de micro-turbulence électromagnétique, électrons chauffés et particules accélérées. Ce cadre conceptuel emmène à reconsidérer le processus de transport de particules charges autour du choc. Deux études indépendantes, effectuées pendant la thèse, montrent que les lois de diffusion en aval et amont du choc se mettent sous une forme concise, en loi de puissance en fonction de l'énergie des particules et de l'intensité de la micro-turbulence magnétique. Les lois de diffusion, dérivées à l'aide des simulations Monte-Carlo et analytiquement, chiffrent l'énergie maximale des protons accélérés au choc à 10^15 eV, si le facteur de Lorentz du choc est très grand devant 1. Cette limite se situe loin de l'énergie maximale des Rayons Cosmique et rend les chocs relativistes comme accélérateurs de particules inefficaces aux énergies les plus extrêmes. Le rayonnement, issu de l'accélération des électrons, atteint plusieurs GeV et corrobore l'idée que les chocs externes des Sursauts Gamma peuvent émettre à de telles énergies. L'approche alternative de l'étude des chocs, simulations Particle-In-Cell, m'as permis d'étudier la formation, structuration et évolution des chocs modérément relativistes dans une géométrie spatiale 1D. L'auto-reformation du front d'un choc perpendiculaire, connue dans le régime non-relativiste, persiste dans le régime moyennement relativiste et exhibe un front de choc non-stationnaire. A magnétisation basse, les électrons sont préchauffés dans le pied du choc par l'instabilité de Buneman entre protons réfléchis et électrons incidents, mais leur température en aval du choc reste plus faible que celle des protons. A magnétisation croissante, l'instabilité Maser Synchrotron devient essentielle dans la structuration du front de choc, avec émission d'un fort précurseur électromagnétique a partir du front de choc. Dans ce cas les électrons se mettent en équipartition avec les protons. Ces simulations 1D ne montrent pas d'évidence d'accélération des particules et des simulations 2D (3D) sont nécessaires.

Cette thèse vise à étudier le phénomène dit de " cascades électromagnétiques cosmologiques ". Ces cascades sont typiquement générées dans le milieu intergalactique par l'absorption de rayons gamma sur les photons du fond optique / UV et par la production de paires électron / positron associés. Ces leptons eux-mêmes interagissent avec les photons du fond diffus cosmologique via diffusion inverse Compton pour produire de nouveaux rayons gamma qui eux même peuvent s'annihiler, générant à partir d'un unique photon primaire toute une gerbe de photons et de particules secondaires. D'un point de vue observationnel, le développement de cette cascade introduit trois effets : une déformation du spectre à haute énergie, un retard temporel dans l'arrivée des rayons gamma et une extension de la taille apparente de la source. Les cascades électromagnétiques cosmologiques ont commencé à être étudiées dans les années soixante. Mais ce n'est qu'à partir des années 2010 avec l'arrivée du satellite Fermi (entre autres) et des observations dans la bande au GeV et au TeV que la discipline a explosé. Le phénomène est particulièrement important. D'une part il altère le spectre observé des sources rendant difficile la compréhension de la physique de ces dernières. D'autre part les cascades se développant dans le milieu extragalactique, elles sont très sensibles à la composition de ce dernier (fond diffus de photons, champ magnétique). Or ce milieu étant très ténu, il est difficile à étudier. Les cascades deviennent alors une formidable sonde pour accéder à sa compréhension et pouvoir en comprendre l'origine qui remonte au commencement de l'Univers. Pourtant les cascades cosmologiques sont un phénomène complexe faisant intervenir des interactions difficiles à modéliser (sections efficaces complexes) et le transport de particules dans un Univers en expansion (cosmologie). Face à cette complexité les expressions analytiques sont vite limitées et le passage au numérique devient inévitable. Dans le cadre de cette thèse un code de simulation Monte Carlo a donc été développé visant à reproduire aussi précisément que possible le phénomène des cascades. Ce code a été testé et validé en le confrontant aux expressions analytiques. Grâce à ce code, le rôle des différents paramètres physiques impactant le développement de la cascade a été étudié de manière systématique. Cette étude a permis de mieux comprendre la physique du phénomène. En particulier, l'impact des propriétés du milieu extragalactique (fond diffus extragalactique, champ magnétique extragalactique) sur les observables a été mis en évidence. Finalement, une seconde étude a été menée pour mesurer la contribution des cascades au fond gamma extragalactique. Des travaux récents montrent qu'une grande partie de l'émission diffuse à très haute énergie provient de sources ponctuelles non résolues (blazars en particulier). Ces sources gamma (résolues et non résolues) doivent en principe initier des cascades qui peuvent contribuer au fond diffus. En partant d'une modélisation de l'émission des blazars à différents redshifts, l'absorption et la contribution des cascades ont alors été calculées à l'aide du code Monte Carlo. Les résultats montrent que la contribution des cascades au fond gamma extragalactique pourrait violer les limites Fermi mais l'excès doit encore être confirmé. / This thesis aims at studying "cosmological electromagnetic cascades". These cascades are initiated by the absorption of very high energy gamma-rays through gamma-gamma annihilation with optical / UV background photons of the intergalactic medium. In this interaction, electron/positron pairs are produced. The newly created leptons interact with photons of the Cosmological Microwave Background producing new gamma-rays through inverse Compton scattering which can also annihilate producing a cascade of secondary particles from a single primary photon. Observationally, the development of this cascade has three effects : the observed high energy spectrum is altered, observed photons arrive with a time delay with respect to primary photons and the source appears extended. Cosmological electromagnetic cascades start to being studied in the early sixties. But it is during the 2010's with the Fermi satellite and GeV to TeV observations that the field has really started to being explored. In the fast evolving backgound of gamma-ray astronomy, understanding the cascade physics has become a crucial stake. First the observed spectrum from a distant source is altered, which directly affects the modelling of high energy sources. Secondly, the cascades develop in the extragalactic medium and are very sensitive to its composition (background light, magnetic field). This medium is hard to study because it is extremely thin. Hence the cosmological cascades are a formidable probe to access its comprehension and its origin coming from the very beginning of our Universe. Yet the cosmological cascades are a complex phenomenon which involves complicated interactions (complex cross sections) and transport of particles in an expanding Universe. Analytical expressions are rapidly limited and numerical computations are required. In this thesis a Monte Carlo simulation code has been developed aiming at reproducing the cosmological cascades. This code has been tested and validated against analytical expressions. With the simulation code, a systematic study of the parameters impacting the development of the cascade has been led. This study allows a better understanding of the cascade physics. Especially, the impact of the intergalactic medium properties (extragalactic background light, extragalactic magnetic field) on the observables has been highlighted. Finally, a second study has been done to measure the contribution of cascades to the extragalactic gamma ray background. Recent works show that a great part of the diffuse emission at very high energy is explained by unresolved sources (blazars in particular). These gamma sources (resolved and unresolved) must in principle initiate cosmological cascades which can also contribute to the extragalactic gamma ray background. Starting from a modeling of the blazars at different redshifts, absorption and contribution of the cascades have been estimated with the simulation code. The results show that the contribution of the cascades might violate the Fermi limits but the excess must be confirmed.

La formation et l'activité des objets compacts, tels que Trous Noirs ou étoiles à Neutrons, s'accompagne couramment d'éjection de matière ionisée sous forme de jets à la vitesse proche de celle de la lumière (vitesses relativistes). Se propageant dans le milieu environnant, par exemple Milieu Interstellaire, ces jets conduisent inéluctablement à la formation d'ondes de choc relativistes. Une forte turbulence magnétique et une population d'électrons accélérés sont requises afin de tenir compte de l'émission radiative non-thermique de ces chocs. L'approche naturelle de ce problème, décrivant de manière auto-consistante la structure du choc non-collisionnel, est celle de la physique cinétique des plasmas en régime relativiste. L'aspect essentiel de cette approche est l'étude du précurseur du choc, sous forme d'un faisceau de protons très énergétiques. Un ensemble d'instabilites plasma y prend lieu et dissipe l'energie du choc sous forme de micro-turbulence électromagnétique, électrons chauffés et particules accélérées. Ce cadre conceptuel emmène à reconsidérer le processus de transport de particules charges autour du choc. Deux études indépendantes, effectuées pendant la thèse, montrent que les lois de diffusion en aval et amont du choc se mettent sous une forme concise, en loi de puissance en fonction de l'énergie des particules et de l'intensité de la micro-turbulence magnétique. Les lois de diffusion, dérivées à l'aide des simulations Monte-Carlo et analytiquement, chiffrent l'énergie maximale des protons accélérés au choc à 10^15 eV, si le facteur de Lorentz du choc est très grand devant 1. Cette limite se situe loin de l'énergie maximale des Rayons Cosmique et rend les chocs relativistes comme accélérateurs de particules inefficaces aux énergies les plus extrêmes. Le rayonnement, issu de l'accélération des électrons, atteint plusieurs GeV et corrobore l'idée que les chocs externes des Sursauts Gamma peuvent émettre à de telles énergies. L'approche alternative de l'étude des chocs, simulations Particle-In-Cell, m'as permis d'étudier la formation, structuration et évolution des chocs modérément relativistes dans une géométrie spatiale 1D. L'auto-reformation du front d'un choc perpendiculaire, connue dans le régime non-relativiste, persiste dans le régime moyennement relativiste et exhibe un front de choc non-stationnaire. A magnétisation basse, les électrons sont préchauffés dans le pied du choc par l'instabilité de Buneman entre protons réfléchis et électrons incidents, mais leur température en aval du choc reste plus faible que celle des protons. A magnétisation croissante, l'instabilité Maser Synchrotron devient essentielle dans la structuration du front de choc, avec émission d'un fort précurseur électromagnétique a partir du front de choc. Dans ce cas les électrons se mettent en équipartition avec les protons. Ces simulations 1D ne montrent pas d'évidence d'accélération des particules et des simulations 2D (3D) sont nécessaires. / The formation and activity of compact objects such as Black Holes and Neutron Stars results in the ejection of ionized matter in the form of jets with velocities close to $c$ (relativistic). The interaction of such powerful jets with the external medium forms shocks, eventually relativistic.A strong self-g???enerated magnetic micto-turbulence and a population of accelerated electron are required to explain the observed non-thermal radiation of these shocks. A natural approach to the study of the structure of a non-collisionnal shock involves kinetic treatement of plasma processes in the relativistic limit. This approach is adopted in the present thesis.Consequently, charged particle transport laws need to be studied carefully taking to acount self-consistent magnetic micro-turbulence at the shock. Two different studies of particle transport at each side of the shock (downstream and upstream) show that the diffusion laws take a concise form as a power law in energy ($D \propto E^2$) and the micro-turbulence strength. Both Monte-Carlo simulations and analytic studies are in agreement and, if the shock Lorentz factor is much greater than 1, it is found that the maximum energy of accelerated protons is $10^{15}$eV. A physical mechanism is also provided to explain how electrons attain the equipartition with protons at the shock. Finally, the radiation from accelerated electrons at the shock can reach several GeV in a synchrotron-like spectrum.In the second part of the thesis, I used 1D3V PIC simulations to study mildly relativistic shocks structure and their time evolution. The prependicular shock front self-reformation, well-known in non-relativistic limit, persists at mildly relativistic speeds. At low magnetization ($\sigma \ll 10^{-2}$), electrons are pre-heated in the shock precursor by the Buneman instability between reflected ions and incident electrons. At higher magnetizations ions form a coherent cyclotron loop at the front and the Maser Synchrotron Instability is essential for the shock structure by emitting a strong electromagnetic precursor, responsible for electrons heating up to equipartition with protons. No particle acceleration is seen in these 1D3V simulations.

High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated.

Des lots de scintillateurs orthosilicates et grenats dope terres rares ont été cristallisés par les méthodes micro-pulling down (μ-PD) et Czochralski. Pour la première fois des fibres Lu2xGd2 2xSiO5 dopées Ce (LGSO:Ce) (x = 0.5) ont été tirées par la méthode micro-pulling down (μ-PD). Dans le but de déterminer la concentration optimale de l'ion activateur avec les meilleurs paramètres de scintillation, la concentration du cérium dans le liquide a été variée dans l'intervalle 0.01-1.5 at%. La distribution spatiale des cations le long des cristaux LGSO :Ce tirés par la méthode de la micro-pulling down a été étudiée par microscopie à champ proche et microscopie Confocale à travers l'excitation du Ce3+ sur les sites cristallographiques du CeO6. Des fibres de composition Lu3A15O12 (LuAG) non dopées et dopées Ce3+ et Pr3+, des matrices mixtes (Lu, Y)3A15O12 (LuYAG) et Y3A15O12 (YAG) dopés Ce3+ ont été fabriqués pour évaluer les possibilités de développer un calorimètre dual-readout pour fonctionner dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Les cristaux LuAG ont été choisis dans le but de détecter la scintillation (ion activateur) et les radiations Chernkov. Pour confirmer l'amélioration de la qualité des fibres cristallines à travers les conditions de croissance cristalline, nous avons réalisé des mesures d'atténuation le long des fibres. La bonne reproductivité des fibres a été vérifiée par des tests faisceau en conditions de calorimètre. Nous avons étudié la structure et la scintillation dans les cristaux appartenant à la solution solide Y3(Al1-xGax)5O12 :Ce. Les cristaux ont été tirés à partir de l'état liquide par la méthode Czochralski. La distribution des cations de la matrice a été étudiée. L'effet de la substitution du Al/Ga dans Y3(Al1-xGax)5O12 :Ce sur le rendement de scintillation a été déterminé. Le rendement de scintillation a atteint 130 % par rapport au grenat aluminium-yttrium dopé Ce. L'évolution des propriétés de luminescence en fonction de la substitution al/Ga a été étudiée / A set of rare earth orthosilicate and garnet scintillators were grown by the micropulling down (μ-PD) and Czochralski methods. Ce-doped Lu2xGd2 2xSiO5 (LGSO:Ce) fibers were grown by the micro-pulling down (μ-PD) method for the first time. In order to determine the optimal activator concentration with regard to the best scintillating parameters, cerium concentration in the melt was varied within 0.01-1.5 at.%. A set of results on optical and scintillation characteristics of the grown fibers with the different activator content was determined and discussed. Distribution of Gd3+ and Ce3+ in LGSO:Ce structure was compared to the Czochralski grown crystals. Spatial distribution of cations across LGSO:Ce scintillation shaped crystals grown by the micro-pulling-down method is studied using wide-field microscopy under simultaneous excitation of both cerium-related centers and confocal microscopy under selective excitation of Ce3+ in CeO6 crystallographic sites. Undoped fibers of Lu3Al5O12 (LuAG) and doped by Ce3+, Pr3+, mixed (Lu,Y)3Al5O12 (LuYAG) and Y3Al5O12 (YAG) both doped by Ce3+ were produced to evaluate a possibility of their potential use in the new dual-calorimeter planned to operate in the upgraded Large Hadron Collider in CERN. The choice of grown crystals was made to detect scintillation (activated materials) and Cherenkov radiation (LuAG). Growth conditions for the improvement of fibers quality were selected basing on measurements of attenuation length of the fibers. The activator segregation coefficient in LuAG:Ce and LuYAG:Ce fibers was evaluated by the cathodoluminescence measurements. The effect of annealing and radiation damage was studied. The good productivity of the grown fibers was verified on the test beam calorimeter. Structure and scintillation yield of Y3(Al1 xGax)5O12:Ce solid solution crystals are studied. Crystals are grown from melt by the Czochralski method. Distribution of host cations in crystal lattice is determined. The trend of light output at Al/Ga substitution in Y3(Al1-xGax)5O12:Ce is determined. Light output in mixed crystals reaches 130% comparative to Ce-doped yttrium–aluminum garnet. The evolution of luminescence properties at Al/Ga substitution is studied

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience d'Astronomie gamma constituée de quatre imageurs Tcherenkov atmosphériques destinés à observer le ciel gamma dans le domaine d'énergies supérieures à 100 GeV et s'étendant jusqu'à quelques dizaines de TeV.<br />Cette thèse présente une nouvelle méthode de reconstruction des gerbes électromagnétiques qui utilise l'ensemble de l'information fournie par la stéréoscopie et la haute définition des caméras de H.E.S.S.. Cette nouvelle méthode permet d'obtenir une résolution angulaire meilleure que le dixième de degré, une résolution en énergie de l'ordre de 15% au zénith, ainsi qu'un rejet hadronique très efficace à partir d'une coupure sur la largeur transverse de la gerbe reconstruite, et qui ne dépend d'aucune simulation.<br />Une nouvelle méthode de soustraction du fond hadronique adaptée à l'étude des sources étendues a aussi été mise en oeuvre. Cette méthode ne fait aucune hypothèse sur la distribution du fond hadronique ni sur le contenu en gamma de la région du ciel étudiée. Elle permet d'obtenir, par un maximum de vraisemblance, deux cartes globales: l'une pour la distribution des gamma dans le champ de vue, et l'autre pour la distribution des hadrons.<br />Ces deux nouvelles méthodes ont été appliquées à l'analyse des vestiges de supernovae RX J1713.7-3946 et RX J0852.0-4622 (Vela Junior), et ont permis de résoudre leur morphologie pour la première fois dans le domaine gamma. L'étude de ces sources a un objectif fondamental: permettre de savoir si les vestiges de supernovae sont bien des accélérateurs des rayons cosmiques, au moins jusqu'au domaine du genou (5*10^15 eV). Une étude morphologique et spectrale de ces sources conjointement à une comparaison avec un modèle simple des émissions gamma (à partir d'électrons ou de protons accélérés dans les vestiges de supernovae) a permis de contraindre les paramètres des modèles leptoniques. Toutefois, ce modèle n'a pu être exclu. Les différents résultats obtenus sont discutés et comparés au cas d'un troisième vestige de supernova à coquille observé par H.E.S.S. mais non détecté: SN 1006.