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

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

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.

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.