L'observatoire Pierre Auger se propose de recueillir une statistique sans précédent concernant le spectre des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Les quelques données actuelles suggèrent une absence de coupure GZK, coupure liée à la distance d'atténuation des protons dans un milieu de propagation tel que le rayonnement fossile à 3K.<br> Après avoir étudié l'effet des champs magnétiques extragalactiques sur la propagation des rayons cosmiques et l'influence sur le spectre, une grande partie du chapitre consacré à la description de l'expérience Auger sera laissée au système d'acquisition des données.<br> L'étude des gerbes atmosphériques initiées dans la haute atmosphère sous incidence rasante est riche d'enseignements concernant la possibilité de détection de neutrinos. Une procédure de reconstruction de l'énergie des gerbes rasantes hadroniques est formalisée et appliquée aux événements du prototype dans le chapitre 4, et le calcul de la sensibilité aux neutrinos du détecteur complet est donné dans le chapitre 5.<br> Enfin, l'analyse des données de l'année 2002 du réseau prototype de l'expérience Auger est l'objet du chapitre 6.

Les photomultiplicateurs sont au coeur de la plupart des expériences d'astroparticules. Dans ce<br />cadre, nous avons étudié et caractérisé des photomultiplicateurs (PM) hémisphériques fabriqués par la<br />Société Photonis. La première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation complète de deux<br />types de multiplicateurs couramment utilisés dans les PM de grande dimension. Nous montrons<br />ensuite les résultats obtenus avec un PM équipé d'une nouvelle photocathode développée pour<br />améliorer le rendement quantique. Pour finir cette partie, nous présentons les résultats sur l'évolution<br />des principaux paramètres des PM en fonction de la dimension (5, 8 et 10 pouces).<br />La deuxième partie est consacrée à l'étude de la réponse des détecteurs Čerenkov à eau du réseau<br />surface aux particules des gerbes et à l'analyse des gerbes horizontales avec l'Observatoire Pierre<br />Auger. De nombreuses mesures faites sur plusieurs détecteurs tests ont permis de mettre au point une<br />simulation du détecteur réaliste qui sera utilisée ensuite dans la procédure de reconstruction de<br />l'énergie des gerbes et de déterminer les paramètres clefs de l'étalonnage des détecteurs de surface. Le<br />type de détecteur choisi pour instrumenter le réseau de surface permet d'avoir une bonne sensibilité<br />aux événements horizontaux (angle zénithal supérieur à 70°). Nous avons mis au point des méthodes<br />spécifiques d'analyse pour ces événements. Cette procédure a été appliquée aux données d'Auger afin<br />d'obtenir le spectre en énergie des gerbes horizontales. Nous finissons cette partie en détaillant deux<br />méthodes pour tester directement les prédictions des modèles hadroniques en étudiant la composante<br />muonique des gerbes.

Title: Cosmic Ray Showers with Anomalous Longitudinal Profile Author: Jiří Blažek Department: Institute of Particle and Nuclear Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University Supervisor: RNDr. Petr Trávníček, Ph.D., Institute of Physics ASCR Abstract: The aim of this work was to study high-energy cosmic ray showers with anomalous longitudinal profiles generated by Monte-Carlo simulation and subse- quently use the acquired analysis techniques on results from the Pierre Auger Observatory (PAO) in Argentina. Firstly, a short introduction of various de- scriptions of the extensive air showers was given. Then a systematic analysis was performed on approx. 7 × 105 simulated showers with three different tech- niques. A brief explanation of the functionality of the PAO was given, then the importance of monitoring the immediate state of the atmosphere using the Shoot- the-Shower program was elucidated and the FRAM telescope was described in detail. FRAM enabled an identification of showers with a clear atmospheric back- ground, this sample of showers was then analyzed and several interesting events warranting a further study were chosen. Keywords: Pierre Auger Observatory, Extensive Air Showers, Chemical Compo- sition, Anomalous Longitudinal Profile, Gaisser-Hillas Function

This thesis presents the energy spectrum of cosmic rays deduced from Cherenkov-dominated data measured by the fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory. Cherenkov-dominated events, used in the energy spectrum analysis at the Observatory for the first time, enable to decrease the energy threshold for the spectrum measurement down to 1015.5 eV. This energy is more than one order of magnitude lower than in preceding studies. The fluorescence detector was originally designed to detect the fluorescence light generated by extensive air showers in a hybrid mode with the surface detector of the Pierre Auger Observatory. The reconstruction of events dom- inated by Cherenkov light is available due to a newly developed reconstruc- tion technique, the profile constrained geometry fit. Its implementation in the Pierre Auger Observatory software is documented. Aspects of the energy spectrum analysis are described. They consist of exposure calculations done with the use of extensive Monte Carlo simulations, unfolding of the detec- tor effects, and inferring the invisible energy correction in the energy region below 1017 eV. Systematic uncertainties of the measurement are estimated. 1

Du fait de leur faible flux, l'existence des rayons cosmiques d'ultra haute énergie (RCUHE, E>$10^(18)$\,\textrm(eV)) est une énigme depuis plus d'un demi siècle. On ne connaît en effet ni leur origine, ni leur nature, ni même l'énergie maximale qu'ils peuvent atteindre. Pour obtenir une statistique suffisante et répondre à ces questions, l'Observatoire Pierre AUGER est actuellement en construction en Argentine et sera à terme complété par un deuxième détecteur au Colorado afin de scruter le ciel de l'hémisphère nord. L'origine et la nature des RCUHE étant liées, l'identification du primaire est une étape cruciale pour valider, réfuter ou contraindre les nombreux modèles théoriques capables d'expliquer leur production. En particulier, la présence de photons ou de neutrinos peut être la signature de modèles impliquant de la nouvelle physique (défauts topologiques, particules supermassives...). Le travail de cette thèse s'insère donc dans ce cadre en cherchant à identifier la nature des RCUHE observés par l'observatoire depuis le mois de janvier 2004. Après avoir récapitulé les résultats des expériences précédentes et présenté les méthodes de détection, ce manuscrit décrit les modèles théoriques en soulignant le type de particules de haute énergie qu'ils peuvent produire. La partie suivante traite des différentes méthodes utilisées par l'observatoire pour permettre l'identification du primaire par la gerbe qu'il crée dans l'atmosphère. Divers critères sont finalement testés sur des simulations puis utilisés dans une analyse qui a permis d'estimer la composition hadronique et de chercher la présence de photons parmi les RCUHE.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie forment un sujet d'astroparticules très actif car nos connaissances dans ce domaine sont encore loin d'être complètes. Par exemple, ni la nature ni les sources de ces particules ne sont clairement identi- fiées. Le seul fait expérimental bien établi à ce jour est l'existence d'une coupure dans le flux en énergie, autour de 4 × 1019 eV, en bon accord avec la coupure prédite par Greisen-Zatsepin-Kuzmin, comme conséquence de l'interaction des rayons cosmiques avec le rayonnement de fond cosmologique, aux énergies les plus hautes. Concernant les sources, seule une statistique accrue peut éventuellement résoudre l'énigme et il faudra probablement attendre une prochaine génération d'expériences, proposant une surface de collection encore plus grande que celles actuellement en cours d'acquisition, comme l'Observatoire Pierre Auger ou Telescope Array. Avant d'augmenter la statis- tique, une bonne connaissance à la fois de l'énergie du rayon cosmique et de sa nature aidera à comprendre les mécanismes opérant à leurs sources. Concernant l'identification de la nature du rayon cosmique, des améliorations des détecteurs actuels sont en cours ou envisagées. Elles devraient permettre de mesurer certaines composantes spécifiques des gerbes atmosphériques comme par exemple la contribution électromagnétique, via le champ électrique émis par les électrons et positrons secondaires. Je présente dans cette HDR une revue des résultats actuels concernant le thème des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Après avoir présenté quelques résultats sur le mécanisme de Fermi pour accélérer les rayons cosmiques, j'aborde en particulier la re- construction des gerbes atmosphériques détectées par le réseau de surface de l'Observa- toire Pierre Auger ainsi que la recherche des sources, basée sur la connaissance fine de la couverture du ciel, impliquant une maîtrise des performances du détecteur. Je traite également en détails le signal radio émis par les électrons et positrons secondaires des gerbes, dans le domaine du MHz. Ce signal est étudié depuis le milieu des années 1960 mais la technologie n'en permet une exploitation complète que depuis les années 2000. Je propose un état des lieux de nos connaissances à travers les résultats des expériences actuelles 1 dans ce domaine. Les données montrent que le champ électrique est princi- palement dû à l'influence du champ magnétique terrestre agissant sur les électrons et positrons mais plus récemment, la contribution due à l'excès l'électrons semble appa- raître dans les données. Enfin, je présente nos dernières avancées dans le domaine de la simulation du champ électrique, avec notamment la prédiction d'un signal nouveau, produit par la disparition de la gerbe atmosphérique lors de son absorption dans le sol.

Les rayons cosmiques d'ultra-hautes énergies (RCUHE), i.e. E > 1 EeV, soulèvent de nombreuses interrogations quant à leur origine et constituent un défi à la physique contemporaine. Ces rayons cosmiques qui pénètrent dans l'atmosphère dissipent leur exceptionnelle énergie dans la formation de gerbes de particules secondaires dont le développement est sensiblement différent suivant la nature de la particule primaire. L'étude de la composition des RCUHEs revêt donc un intérêt majeur tant dans la compréhension des processus hadroniques qui régissent l'évolution des gerbes que dans l'identification des sources de ce rayonnement. L'Observatoire Pierre Auger peut, eu égard à sa structure hybride et à la taille inégalée de son réseau de détecteurs au sol, apporter des réponses claires aux problématiques soulevées par les RCUHEs. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la composante muonique des gerbes atmosphériques. Dans un premier temps, nous montrons comment les paramètres hadroniques conditionnent la production de muons. Par la suite, nous présentons une méthode originale permettant d'extraire cette composante muonique et d'en déduire les implications relatives à la composition des RCUHEs. Les résultats de cette approche semblent indiquer une transition d'une composition lourde vers une composition plus légère dès lors que l'énergie augmente. Finalement nous abordons la mesure de la section efficace cosmique-air en décrivant les bases de cette étude de même que son champ d'application : les premiers résultats déduits des données de l'Observatoire Pierre Auger sont alors présentés.

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