L'étude des rayons cosmiques de ultra haute énergie, particules dont la nature et l'origine reste encore aujourd'hui inconnue, s'effectue par la mesure de cascade de particule appelée gerbes cosmiques créées lors de leur interaction avec l'atmosphère terrestre. Deux techniques permettent de détecter et de caractériser ces gerbes : la détection au sol par réseaux de détecteurs de particules et la détection de la lumière de fluorescence émise par la gerbe. Idée datant des années 1960, la radiodétection de gerbes cosmiques par la mesure du champ électrique induit par les particules chargées de la cascade fut à l'époque abandonnée à cause de difficultés techniques. Créée en 2002, l'expérience CODALEMA a dans sa première configuration permis de prouver la faisabilité et l'intérêt de la radiodétection pour l'étude des rayons cosmiques. L'expérience a depuis subi une évolution majeure en remplaçant les antennes logpériodiques par des dipôles actifs dédiés à la radiodétection et en installant un trigger réalisé par un réseau de 17 scintillateurs capables de fournir une estimation de l'énergie des particules primaires. L'objectif de CODALEMA est de caractériser le signal électrique induit par une gerbe cosmique en fonction des paramètres physiques de la gerbe. Cette thèse présente, entre autre, les distributions angulaires des directions d'arrivées des gerbes mesurées par CODALEMA. Elles permettent pour la première fois de prouver l'origine géomagnétique du champ électrique induit par une gerbe. Les distributions latérales de champ électrique induit, ainsi que la corrélation entre l'énergie du primaire et l'amplitude du signal électrique sont également présentées.

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.

La thèse s'intéresse à l'étude des rayons cosmiques de très hautes énergies qui lorsqu'ils pénètrent l'atmosphère terrestre dissipent leur énergie en produisant une multitude de particules secondaires, cet ensemble étant appelé une gerbe atmosphérique. L'expérience CODALEMA permet l'étude de l'émission radioélectrique des gerbes atmosphériques, au moyen d'antennes dans le domaine de fréquences de 1 à 100 MHz. Nous avons étudié dans un premier temps certaines questions concernant le calcul du champ électrique à partir des caractéristiques de la gerbe dans le but de dégager les effets prépondérants dans la génération du signal radio. Nous avons ensuite examiné comment exploiter une méthode de prédiction linéaire pour permettre la détection des transitoires associés aux gerbes dans l'environnement radioélectrique bruité dans la gamme de fréquence où l'expérience est menée. Nous avons enfin examiné comment les signaux récoltés permettent d'étudier le mécanisme d'émission du champ électrique par les gerbes. Ce travail d'analyse permet de faire un pont entre les deux premières études.

Étudiée pour la première fois dans les années 60, la technique de radiodétection des gerbes atmosphériques montra des résultats prometteurs mais limités par les capacités techniques de l'époque. H.R.Allan synthétisa alors l'ensemble des connaissances dans une revue extensive dont les conclusions et les prédictions font encore référence aujourd'hui. L'expérience CODALEMA a été conçue en 2001 à l'observatoire de Nançay, d'abord comme un démonstrateur de la faisabilité de la technique de radiodétection des rayons cosmiques. Modifiée en profondeur en 2005, elle a permis de mettre en place une première corrélation en énergie et de prouver sans ambiguïté la prépondérance du champ magnétique terrestre dans l'émission radio de la gerbe. Le passage à de grandes surfaces de détection est la prochaine étape du développement de la technique. L'autonomie des détecteurs devient alors un élément crucial. Précédée de prototypes de tests installés en 2006 au sein de l'observatoire Pierre Auger, une nouvelle génération de détecteurs a depuis été développée et ses résultats sont détaillés. Cette thèse traite également des différentes problématiques liées à la technique de radiodétection : réponse d'antenne, sensibilité, impact de l'environnement, surveillance d'une expérience à grande échelle. La détermination, indépendamment d'un autre détecteur, des caractéristiques de la gerbe est discutée notamment la distribution latérale, la corrélation en énergie et la composition en fréquence du signal radio.

La détection radio des rayons cosmiques a été tentée dans les années 60 mais a rapidement été abandonnée du fait du manque de reproductibilité des résultats et des limitations techniques de l'époque au profit d'autres techniques comme les réseaux de détecteurs au sol ou les détecteurs de fluorescence<br /><br />Aujourd'hui, la compréhension de l'origine et de la nature des rayons cosmiques d'ultra haute énergie constitue l'un des enjeux scientifiques de premier plan pour la communauté des physiciens des astroparticules. Cependant, le très faible flux de particules à ces énergies rend difficile leur étude et nécessite la mise en place de détecteurs géants. C'est dans ce contexte et compte tenu des récents développements technologiques que la méthode de radio-détection des rayons cosmiques est réinvestiguée. Ses qualités intrinsèques doivent permettre, en complément des méthodes de détection existantes de renforcer la statistique et la précision des observatoires de ces rayons cosmiques d'ultra haute énergie.<br /><br />Après avoir rappelé la problématique des rayons cosmiques, nous présentons l'état actuel des connaissances concernant l'émission radioélectrique associée au développement de gerbes atmosphériques. Nous décrivons ensuite en détail les développements techniques mis en œuvre pour construire et rendre opérationnel le démonstrateur expérimental CODALEMA installé à Nançay. Nous discuterons les méthodes d'analyses ainsi que les résultats obtenus avec cet instrument qui a permis de démontrer pour la première fois, de manière non ambiguë, la détection d'un signal radio associé au passage d'une gerbe atmosphérique. Nous présentons aussi le banc de test implanté sur le détecteur géant Pierre Auger en Argentine, et dont le but est d'apporter des réponses sur les caractéristiques que devrait posséder un grand détecteur radio pour le domaine d'étude des énergies extrêmes

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.