Depuis plus de 30 ans, des réseaux de détecteurs au sol ont observé une dizaine de rayons cosmiques d'origine probablement extragalactique, dont les énergies excèdent $10^20$ eV. L'Observatoire Pierre AUGER, actuellement en construction en Argentine, a été spécialement conçu pour éclaircir le mystère de leur origine. La première partie de cette thèse a été consacrée à l'exposé de la problématique physique et aux techniques de détection utilisées. La partie suivante traite du développement d'un nouvel outil de mesure du niveau d'eau dans les détecteurs de surface et de la mise en oeuvre d'une expérience de calibration des détecteurs à des électrons de quelques MeV. Puis finalement, 3 chapitres sont consacrés à l'exposé de nouvelles méthodes d'analyses visant à determiner la composition du rayonnement cosmique primaire et à étudier les phénomènes physiques qui ont lieu dans le développement des gerbes dans l'atmosphère.

Bien que la découverte des rayons cosmiques date d'un siècle, ce n'est que récemment qu'on est parvenu à identifier leurs sources galactiques comme étant des restes de jeunes Supernovae (SNR). La difficulté était la déviation de leurs trajectoires dans le champ magnétique du disque de la Voie Lactée, empêchant d'associer leurs sources à des objets célestes connus. C'est l'astronomie en rayons gamma qui a permis de sauter cet obstacle en associant les sources de rayons gamma d'énergies supérieures au TeV à des enveloppes de jeunes SNRs. Ces découvertes récentes n'ont toutefois pas été capables d'expliquer l'origine de la composante extra galactique des rayons cosmiques, dite d'ultra haute énergie (UHECR), ni d'identifier leurs sources et le mécanisme d'accélération. Ce n'est que tout récemment, avec la construction de l'Observatoire Pierre Auger (PAO), que la physique des UHECR est apparue sous un jour nouveau. Le PAO, avec lequel notre laboratoire est associé, et dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée, est un immense réseau de 1600 compteurs Cherenkov (SD, pour détecteur de surface) couvrant une superficie de 3000 km2 dans la pampa argentine. Il abrite également des détecteurs de fluorescence (FD) qui permettent une détection hybride des grandes gerbes pendant les nuits claires et sans lune. Le PAO a déjà accumulé, pour la première fois au monde, une centaine d'UHECRs d'énergies supérieures à 50 EeV dont l'étude des propriétés est ainsi devenue possible. De fait, deux résultats majeurs ont déjà été obtenus, qui marquent un jalon important dans l'étude de la physique des UHECRs: l'observation d'une coupure dans la distribution en énergie, aux alentours de 100 EeV, associée pour l'essentiel au seuil de photoproduction de pions dans les interactions des UHECRs avec les photons du fond cosmique fossile; et la mise en évidence d'une corrélation entre les directions vers lesquelles pointent les UHECRs et les concentrations de matière extragalactique de l'univers proche, en particulier la région de Cen A. A plus basse énergie, jusqu'à une cinquantaine d'EeV, le PAO a mis en évidence une augmentation des masses primaires vers le fer quand l'énergie augmente. Cette observation se base sur des mesures de l'altitude à laquelle la gerbe atteint son développement maximal, censée être plus élevée pour les noyaux de fer que pour les protons. Toutefois, les estimations de la masse primaire basées sur la densité de muons au sol se heurtent à des incohérences entre observations et prédictions des modèles conventionnels de développement des gerbes qui empêchent de conclure. On n'est pas encore parvenu à assembler les pièces de ce puzzle de façon claire et définitive. Une possibilité serait que les UHECR qui pointent vers des galaxies proches, comme CenA, soient des protons et que les autres soient des noyaux de fer. Mais cela reste encore à prouver. Le travail présenté dans la thèse est une contribution modeste à ce programme de recherche. Il met l'accent sur des méthodes d'identification des masses primaires basées sur la mesure de la densité des muons au sol, en particulier sur la méthode des sauts (jump method) qui a été conçue et développée au LAL d'Orsay où une partie importante de la thèse a trouvé son inspiration. La méthode des sauts identifie la présence de sauts soudains dans les traces des FADC, formant un saut total J, avec celle de muons. La lumière Cherenkov produite par les particules de la gerbe qui traversent les détecteurs du SD est captée par des tubes photomultiplicateurs dont les signaux sont enregistrés en fonction du temps dans des convertisseurs analogue/digital rapides (FADC, 40 MHz). La relation entre le saut total, J, et les propriétés des traces des FADCs montre, en particulier, que pour avoir une chance d'apprendre quelque chose de sensé sur le nombre N de muons qui contribuent à la trace du FADC, il est nécessaire de restreindre l'observation à des détecteurs qui ne soient pas trop proches de l'axe de la gerbe. Une étude séparée des traces induites par des muons et par des électrons ou photons montre que J est approximativement proportionnel à N et à Q (la charge totale), ce qui n'est pas surprenant. En combinant des traces de muons et d'électrons/photons on trouve que J peut être décrit par une expression de la forme J={(43.9±0.5)10−3Q+(200±2)N }10-3. Nous étudions ensuite la séparation entre primaires légers (protons) et lourds (fer) à laquelle on peut s'attendre de la mesure des valeurs de J dans les compteurs touchés par la gerbe. Nous remarquons que même si nous connaissions N exactement (ce qui bien sûr n'est pas le cas) la séparation entre fer et proton ne dépasserait pas les 30%, ce qui donne une mesure de la corrélation entre la nature des primaires et la densité des muons au sol. Ceci implique que l'identification des primaires à un niveau de confiance correspondant à trois déviations standard requiert un minimum de cinquante détecteurs dans lesquels on puisse mesurer la valeur prise par J. Une autre remarque est que si l'on connaissait l'énergie des primaires, ce qui n'est pas le cas, non seulement J mais aussi Q et NJ (le nombre de saut dans chaque trace) seraient de bons discriminants entre fer et protons. Ceci dit, l'énergie des primaires étant inconnue, l'inversion de la relation J=AQ+BN en N=J+Q - dans le but de déduire N de Q et J - n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Le problème est que la corrélation qui lie Q à J est si forte qu'il n'y a essentiellement rien à gagner de l'utilisation de la forme binomiale ci- dessus. Un corollaire important de cette forte corrélation est la difficulté qu'il y a à faire la différence entre deux gerbes induites par des protons d'énergies différentes et deux gerbes d'énergies égales, l'une induite par un proton et l'autre par un noyau de fer. Afin de surmonter cette difficulté, il est nécessaire d'utiliser des discriminants indépendants de l'énergie. Deux outils sont utilisés dans ce but : l'utilisation du rapport J/Q comme discriminant et la restriction de l'analyse aux compteurs situés dans une fourchette de distances à l'axe de la gerbe dépendant de S(1000) (la densité au sol de la gerbe à 1 km de son axe, utilisée comme mesure de l'énergie de la gerbe). Des gerbes simulées sont utilisées pour démontrer qu'en principe chacun de ces deux outils est efficace. Une analyse indépendante de l'énergie est ensuite appliquée à l'étude des gerbes détectées par le PAO, confirmant leur désaccord avec les prédictions des modèles de développement des gerbes et établissant un nouveau et important résultat: ce désaccord ne peut pas être résolu par un simple ajustement de la relation entre S(1000) et l'énergie. Enfin, la méthode des sauts est appliquée aux UHECRs pointant à 18o près vers Cen A. Contrairement à une autre analyse utilisant des données hybrides pour étudier le taux d'élongation, cette analyse préfère une origine protonique pour les gerbes associées à Cen A par rapport à celles pointant ailleurs dans le ciel. Tout ceci illustre la difficulté qu'il y a à identifier la nature des primaires à partir des données du SD. Le désaccord entre données et prédictions constitue un problème majeur qu'il faut à tout prix résoudre. On ne saurait se satisfaire d'une explication rejetant sur les modèles hadroniques la responsabilité du désaccord si les mécanismes physiques incriminés ne sont pas clairement identifiés. Les programmes de simulation utilisés de façon courante sont d'une complexité telle qu'il est difficile de les utiliser dans ce but. Le souci de reproduire au plus près la réalité physique les a rendus opaques. La seconde partie de la thèse se propose de faire un pas dans la direction de l'élaboration d'un code de simulation simplifié mais transparent dans l'espoir qu'il permette d'éclairer le problème. La simulation de la composante électromagnétique des grandes gerbes est relativement simple: il suffit, à une excellente approximation, de ne retenir que le rayonnement de freinage et la création de paires comme seuls mécanismes élémentaires et d'ignorer toute particule autre que photon, électron ou positon. Il est aussi facile de décrire les pertes d'énergie par ionisation, ce qui permet un traîtement particulièrement simple du développement de la gerbe qui est présenté et commenté en détail. On obtient ainsi des paramétrisations du profil longitudinal de la gerbe utilisant la forme de Gaisser-Hillas et les valeurs moyennes des paramètres sont évaluées en fonction de l'énergie en même temps que leurs fluctuations. Trois types de primaires sont pris en considération: électrons, photons et pions neutres. Le modèle, par itérations successives, permet d'atteindre simplement aux énergies les plus élevées. Son application à l'effet Landau-Pomeranchuk-Migdal et à l'effet Perkins permettent d'illustrer son efficacité et de montrer que ces deux effets sont, en pratique, d'incidence négligeable sur la physique des UHECRs. Le développement de la composante hadronique de la gerbe est beaucoup plus difficile à traîter. Il implique la production de muons, essentiellement des pions, dont la composante neutre est purement électromagnétique et par conséquent facile à décrire. Au contraire, le destin des pions chargés dépend de deux processus en compétition: interactions hadroniques avec les noyaux de l'atmosphère et désintégrations faibles en une paire muon-neutrino. Les échelles qui gouvernent ces deux processus sont différentes: la section efficace d'interaction ne dépend que peu de l'énergie mais le taux d'interaction dépend de la pression atmosphérique, c'est-à- dire de l'altitude; au contraire, le taux de désintégration est indépendant de l'altitude mais inversement proportionnel à l'énergie à cause de la dilatation de Lorentz. La méthode itérative utilisée avec tant d'efficacité pour la composante électromagnétique, pour laquelle la longueur de radiation est la seule échelle pertinente, n'est plus praticable. Le problème essentiel de l'extrapolation des données d'accélérateurs aux grandes gerbes d'UHECRs n'est pas tant l'énergie que la rapidité. De fait, 20 EeV dans le laboratoire correspondent à 200 TeV dans le centre de masse, seulement deux ordres de grandeur au dessus des énergies du Tevatron et un seul au dessus des énergies du LHC. La lente évolution de la physique hadronique en raison directe du logarithme de l'énergie rend peu probable qu'une extrapolation des données des collisionneurs vers les énergies des UHECRs soit grossièrement erronée. Par contre, en termes de rapidité, les gerbes UHECR sont dominées par la production vers l'avant, une région inaccessible aux collisionneurs. En particulier, il n'existe aucune mesure précise des inélasticités et de la forme du front avant du plateau de rapidité, toutes deux essentielles au développement des gerbes UHECR. Le modèle développé dans la thèse fait de l'inélasticité un paramètre ajustable et la forme du plateau de rapidité est accessible de façon transparente. Une attention particulière est consacrée aux caractéristiques de la gerbe qui permettent l'identification de la nature des primaires, noyaux de fer ou protons. Ceci concerne essentiellement la première interaction: une fois que le noyau primaire a interagi, le développement de la gerbe ne met plus en jeu que des interactions nucléon-air ou méson-air. Là encore, il n'existe pas de données de collisionneurs permettant de décrire les interactions de noyaux et de pions avec l'atmosphère dans le domaine d'énergie qui nous intéresse. Le modèle utilisé ici permet un accès facile et transparent aux paramètres pertinents. La présentation qui est donnée du modèle limite ses ambitions à en décrire les traits essentiels, laissant pour une phase ultérieure l'étude de la densité des muons au sol. L'accent est mis sur le développement de ce nouvel outil et sur son adéquation aux problèmes qu'il entend aborder mais son utilisation dépasse le cadre de la thèse et fera l'objet d'études ultérieures.

La radiodétection des rayon cosmiques de haute énergie est actuellement l'objet d'une intense activité de recherche, tant sur le plan expérimental que théorique. La problématique actuelle est de savoir si elle représente une technique compétitive par rapport à ou en complément des techniques de détection classiques; aussi bien afin de couvrir les surfaces permettant d'accumuler de la statistique aux plus hautes énergies (autours de 10^20 eV -- là où l'astronomie des particules deviendrait possible) que de caractériser précisément le rayonnement cosmique à des énergies plus modérées (quelques 10^18 eV). Au cours de ce travail, nous avons tenté de nous approcher de la réponse à cette question, grâce à des modélisations de l'émission radio, à l'analyse de données expérimentales et en préparant les détecteurs à venir. Au niveau modélisation, l'émission géosynchrotron des particules des gerbes a été abordée analytiquement en utilisant un modèle de gerbe simplifiée et d'autre part avec la simulation Monte Carlo AIRES pour obtenir un développement de gerbe réaliste. Différentes dépendances du champ électrique ont été extraite, dont une proportionnalité du champ avec le vecteur -v*B sous certaines conditions. Expérimentalement, l'analyse des données du détecteur CODALEMA a permis de mieux caractériser le champ électrique produit par les gerbes, avec notamment la topologie de la distribution du champ au sol, la dépendance avec l'énergie et un champ compatible avec une proportionnalité avec -v*B. Ces différents résultats sont regroupé sous la forme d'une formule générale du champ. Davantage de données sont probablement nécessaires avant de statuer définitivement sur l'intérêt de la radiodétection. La formule obtenue grâce à CODALEMA a finalement été utilisée pour extrapoler les résultats de CODALEMA a un futur grand réseau, résultat appliqué notamment au détecteur AERA de l'Observatoire Pierre Auger.

L’origine et la composition des rayons cosmiques demeurent, presque un siècle après leur découverte, une question ouverte, certains résultats des expériences de détection des rayons cosmiques se contredisant même, aux énergies supérieures à 10¹⁸ eV. A ces énergies, le flux reçu sur Terre est si faible qu’une détection directe est impossible sur une échelle de temps raisonnable. La collaboration Pierre Auger a ainsi construit dans la Pampa argentine, un observatoire couvrant une surface de 3000 km² afin de déterminer les énergies, les masses et les directions d’arrivée des rayons cosmiques. Les techniques de détection déployées font de l’Observatoire Pierre Auger une référence dans le domaine des Ultra-Hautes Énergies. Durant les trois années de mon doctorat, il m’a été donné l’opportunité d’étudier les méthodes de détection déployées par cette expérience et de m’intéresser spécialement à son détecteur de surface dont l’extraction du signal jusqu’à la reconstruction des directions d’arrivée et des énergies des rayons cosmiques sont présentées dans ce manuscrit avec les optimisations développées, permettant l’établissement du spectre des rayons cosmiques. L’étude de ce spectre, combinée à celle des observables de composition, obtenues par le détecteur de fluorescence, permet son interprétation en terme de masse afin de contraindre les modèles d’accélération et de propagation dans le milieu Galactique ou extragalactique. / The origin and the composition of the cosmic rays, almost one century after their discovery, remain an open question. Results of some experiments dedicated to their detection are even contradicting themselves at energies above 10¹⁸ eV. At these energies, the flux of the cosmic rays reaching the Earth is so low that direct detection is unthinkable in a reasonable time scale. The collaboration Pierre Auger has thus built, in the Argentine Pampa, an observatory covering an area of 3000 km² to determine the energies, masses and arrival directions of cosmic rays. Deployed detection techniques make the Pierre Auger Observatory a reference in the field of Ultra-High Energy. During the three years of my thesis, I had the chance to study the detection methods deployed by this experiment, focusing on its surface detector from the extraction of its signal to the reconstruction of the arrival direction and energy of the cosmic ray, which are presented in this manuscript along with the optimizations developed. The energy spectrum of cosmic rays is then reconstructed. The study of this spectrum, combined with the observables of composition, deduced from the fluorescence detector, allows its interpretation in term of mass. Acceleration and propagation models in Galactic or extragalactic environment can then be constrained by this combined study.

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.

Les rayons cosmiques occupent une place privilégiée au sein de l'astrophysique et de la physique des astroparticules, non seulement parce qu'ils participent à la plupart des processus énergétiques à l'œuvre dans l'univers, mais parce que leur existence même et la continuité de leur spectre d'énergie (des énergies thermiques à plus de 1020 eV) soulèvent des questions d'une grande fécondité et d'une richesse inattendue. La source de ces particules énergétiques sillonnant le cosmos demeure largement inconnue, et des décennies de recherche n'ont pas permis d'élucider pleinement le lien existant entre celles que l'on voit rayonner sur toute l'étendue du spectre électromagnétique dans telle ou telle source astronomique et celles que l'on détecte au voisinage de la Terre, porteuses d'informations précieuses pour la physique en général. Nous proposons une approche globale et pluridisciplinaire du rayonnement cosmique, insistant sur la nécessité de considérer conjointement ses trois dimensions spectrales : la distribution en énergie (spectre), la distribution angulaire (anisotropies) et la distribution en masse (composition). Nous analysons divers aspects de cette problématique — théoriques, phénoménologiques et expérimentaux — avec une attention particulière au cas des rayons cosmiques ultra-énergétiques, en relation avec l'Observatoire Pierre Auger, mais nous tentons également d'expliciter les liens existant entre les différentes gammes d'énergie, et de mettre en lumière l'importance de la transition galactique/ extragalactique. De nombreuses contraintes sont également apportées par l'astronomie non-thermique et l'astrophysique nucléaire, dont nous discutons certains aspects directement liés aux particules énergétiques, à leur accélération comme à leur propagation dans le cosmos.

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.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé.

L'identification des sources de rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (au-delà de 10^18 eV) constituerait une avancée majeure aussi bien dans le domaine de l'astrophysique que dans celui de la physique des particules. La difficulté principale dans la recherche de telles sources réside dans la perte de l'information directionnelle des rayons cosmiques les moins énergétiques. En effet, leur direction est sujette à des déviations d'amplitude inversement proportionnelle à leur énergie à cause des champs magnétiques qu'il traversent lors de leur propagation jusqu'à la Terre. D'autre part, pour des énergies supérieures à 4x10^(19)eV, l'interaction des rayons cosmiques avec le fond diffus cosmologique limite l'horizon de leurs sources à l'Univers proche (200 Mpc ou moins). Cette thèse a été effectuée au sein de l’observatoire Pierre Auger, le plus grand détecteur de rayons cosmiques de haute énergie. Elle est dédiée à l'étude, la sélection, la reconstruction, ainsi qu'à l'analyse des évènements de plus haute énergie. D'autre part, les particules de plus bas numéro atomique sont plus susceptibles de garder leur direction mais la composition des rayons cosmiques est inconnue à de telles énergies. Une méthode de sélection des événements les plus similaires aux protons a été élaborée et développée dans cette thèse pour étudier la possibilité de leur utilisation pour une "astronomie protons" / Identifying the sources of the ultra-high energy cosmic rays (UHECRs, above 10^{18} eV), the most energetic particles known in the universe, would be an important leap forward for both the astrophysics and particle physics knowledge. However, developing a cosmic-ray astronomy is arduous because magnetic fields, that permeate our Galaxy and the extra-Galactic space, deflect cosmic rays that may lose the directional information on their sources. This problem can be reduced by studying the highest energy end of the cosmic ray spectrum. Indeed, magnetic field deflections are inversely proportional to the cosmic ray energy. Moreover, above 4x10^{19} eV, cosmic rays interact with cosmic photon backgrounds, losing energy. This means that the sources of the highest energy cosmic rays observed on Earth can be located only in the nearby universe (200 Mpc or less). The largest detector ever built for detecting cosmic rays at such high energies is the Pierre Auger Observatory, in Argentina. It combines a 3000 km^2 surface array of water Cherenkov detectors with fluorescence telescopes to measure extensive air showers initiated by the UHECRs. This thesis was developed inside the Auger Collaboration and was devoted to study the highest energy events observed by Auger, starting from the selection and reconstruction up to the analysis of their distribution in the sky. Moreover, since the composition at these energies is unknown, we developed a method to select proton-like events, since high Z cosmic rays are too much deflected by magnetic fields to be used for cosmic-ray astronomy.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé. / Atmospheric aerosols at the Pierre Auger Observatory: characterization and effect on the energy estimation for ultra-high energy cosmic rays.The Pierre Auger Observatory, located in the Province of Mendoza in Argentina, is making good progress in understanding the nature and origin of the ultra-high energy cosmic rays. Using a hybrid detection technique, based on surface detectors and fluorescence telescopes, it provides large statistics, good mass and energy resolution, and solid control of systematic uncertainties.One of the main challenges for the fluorescence detection technique is the understanding of the atmosphere, used as a giant calorimeter. To minimize as much as possible the systematic uncertainties in fluorescence measurements, the Auger Collaboration has developed an extensive atmospheric monitoring program. The purpose of this work is to improve our knowledge of the atmospheric aerosols, and their effect on fluorescence light propagation.Using a modelling program computing air mass displacements, it has been shown that nights with low aerosol concentrations have air masses coming much more directly from the Pacific Ocean. For the first time, the effect of the aerosol size on the light propagation has been estimated. Indeed, according to the Ramsauer approach, large aerosols have the largest effect on the light scattering. Thus, the dependence on the aerosol size has been added to the light scattering parameterizations used by the Auger Collaboration. A systematic overestimation of the energy and of the maximum air shower development Xmax is observed.Finally, a method based on the very inclined laser shots fired by the Auger central laser has been developed to estimate the aerosol size. Large aerosol sizes ever estimated at the Pierre Auger Observatory can now be probed. First preliminary results using laser-shot data collected in the past have identified a population of large aerosols.