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.

Le projet EUSO (Extreme Universe Space Observatory) est basé sur un concept novateur pour mesurer le flux de RCUE (Rayon Cosmique Ultra Energétique) en observant depuis l'espace la lumière (fluorescence de l'air et rayonnement Cerenkov) produite par les gerbes atmosphériques. <br />Après une vue générale du contexte scientifique et une description du projet EUSO, une méthode de reconstruction des gerbes vues depuis l'espace est présentée. Cette méthode originale permet de reconstruire les caractéristiques d'un RCUE en utilisant uniquement la forme du signal de fluorescence produit par la gerbe au cour de temps (sans autre source d'information). Cette méthode a des résultats particulièrement intéressants pour les gerbes horizontales.<br />La deuxième partie de cette thèse concerne l'étude et la mesure de la fluorescence de l'air grâce à l'expérience MACFLY (Measurement of Air Cerenkov and Fluorescence Light Yield). Après un état de l'art de nos connaissances dans le domaine, un modèle de FLY (quantité de lumière produite par fluorescence) proportionnelle à l'énergie déposée dans l'air est proposé. Ensuite l'expérience MACFLY et la méthode d'analyse des données utilisée sont décrites en détail. L'expérience est composé de deux dispositifs. Le premier (Macfly1) qui mesure la fluorescence produite par une seule particule a mesuré la FLY d'électron de 1,5 MeV (source radioactive), 20 GeV et 50 GeV (faisceau test du CERN). Le deuxième (Macfly2) qui mesure la fluorescence produite par une gerbe électromagnétique, a permis de faire la première mesure mondiale de la dépendance de la FLY avec l'âge de la gerbe. La dépendance en pression a également été mesurée avec les deux dispositifs.<br />Grâce à un programme de simulation GEANT4, nous comparons nos mesures aux modèles de fluorescence. L'hypothèse de la proportionnalité entre la FLY et l'énergie déposée dans l'air a été vérifiée. On trouve le même résultat avec Macfly1 et Macfly2. Dans l'air à 950 hPa, 23°C et 0% d'humidité on obtient :<br />FLY=19 ± 4 photons/MeV

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.

La présente thèse porte sur le calcul des flux d'antimatière d'origine galactique, sous forme d'antiprotons, d'antideuterons, d'antihélium 3 et d'antihélium 4, attendus au niveau de la Terre et produits par interaction du rayonnement cosmique (RC) avec la matière du milieu interstellaire. Cette antimatière qualifiée de secondaire, constitue un bruit de fond pour la recherche d'antimatière d'origine primordiale (issue d'antigalaxies) dans le RC ainsi que pour la recherche d'antimatière produite par des sources exotiques: matière noire (par annihilation de particules massives comme le neutralino) et trous noirs primordiaux (par évaporation). Une évaluation aussi précise que possible de ce bruit de fond s'avère nécessaire au vu de la mise en œuvre dans les années à venir de spectromètres spatiaux (AMS) conçus pour traquer l'antimatière dans le RC Notre nouvelle estimation du flux d'antiproton est en accord avec les précédents calculs même si des différences existent, provenant en particulier de l'utilisation de sections efficaces de production d'antiprotons distinctes. Le flux d'antideuterons obtenu s'avère plus important que les précédentes estimations. De plus, la prise en compte de processus jusque là ignorés, conduit à un flux non négligeable à basse énergie où le flux d'antideuterons issus de sources exotiques est maximum. La quantité d'antideuterons ainsi produite par la galaxie est suffisante pour espérer détecter prochainement des antideuterons dans le RC. Par contre, la quantité d'antihélium 3 et d'antihélium 4 produite n'est pas significative, c'est pourquoi un antihélium 4 détecté ne sera très probablement pas d'origine secondaire.

L'expérience AMS sera mise en orbite à partir de 2006 pour une durée de 3 ans afin d'étudier le rayonnement cosmique et d'ouvrir de nouvelles perspectives pour la recherche d'antimatière et de matière noire. Cette thèse présente d'abord le travail mené pour les développements du détecteur Tcherenkov (RICH) d'AMS qui conduira à une mesure précise de la vitesse et de la charge des particules le traversant. Nous exposons le choix des photodétecteurs, les tests de l'électronique, les caractéristiques générales du compteur ainsi que la mise en oeuvre de l'analyse des données obtenues avec deux prototypes (incluant des mesures au CERN). La seconde partie du travail est consacrée à l'étude théorique du rayonnement cosmique et d'un signal exotique potentiel pour AMS : les trous noirs en évaporation. Les conséquences astrophysiques, cosmologiques et gravitationnelles de l'existence de ces objets sont considérées en détails.

L'observation de rayons cosmiques d'énergies supérieures à 10^19 eV ne possède pas d'explication satisfaisante actuellement. L'Observatoire Pierre Auger (PAO) a pour objectif l'augmentation significative de la statistique, très faible, de ces rayons cosmiques, grâce à des détecteurs de gerbes atmosphériques situés dans chaque hémisphère, l'un en Argentine et l'autre en Utah, la surface utile de chacun approchant 3000 km² . Ils détecteront d'une part la fluorescence, d'autre part les particules des gerbes, mesurant ainsi les profils longitudinaux et latéraux, qui permettront l'estimation améliorée des observables astrophysiques que sont l'énergie, la direction et la nature des particules primaires. La réussite d'une expérience requiert à la fois la compréhension des signaux collectés et une instrumentation adaptée ; cette thèse expose donc les résultats de simulations de gerbes atmosphériques de haute énergie et leur application à la discrimination entre les natures de particules primaires, ainsi que les éléments du logiciel d'acquisition des stations locales composant les détecteurs de surface du PAO.

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.

Le Spectromètre Magnétique Alpha (AMS) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale ; il enregistre des données depuis mai 2011. L'expérience a pour objectif d'identifier la nature des rayons cosmiques chargés et des photons et de mesurer leur flux dans la gamme d'énergie du GeV au TeV. Ces mesures permettent d'affiner les modèles de propagation de rayons cosmiques, d'effectuer une recherche indirecte de matière noire, et de chercher l'antimatière primordiale (anti-hélium). Dans ce mémoire, les données des premières années ont été utilisées pour mesurer les flux d'électrons et de leptons (électrons + positons) dans la gamme d'énergie de 0.5 GeV à 700 GeV. L'identification d'électrons nécessite une séparation électrons/protons de l'ordre de 104, obtenue par l'utilisation conjointe des estimateurs de différents sous-détecteurs d'AMS, en particulier du calorimètre électromagnétique (ECAL), du trajectomètre et du détecteur à radiation de transition (TRD). Dans cette analyse, les nombres d'électrons et de leptons sont estimés par un ajustement des distributions de l'estimateur du calorimètre et vérifiés en utilisant l'estimateur du TRD : 11 millions leptons ont été sélectionnés et analysés. Les incertitudes systématiques sont déterminées en variant les coupures de sélection et la procédure d'ajustement. L'acceptance géométrique du détecteur et les efficacités de sélection sont estimées grâce aux données de simulation. Les différences observées sur les échantillons de contrôle issus des données permettent de corriger la simulation. Les incertitudes systématiques associées à ces corrections sont établies en variant les échantillons de contrôle. Au total, à 100 GeV (resp. 700 GeV), l'incertitude statistique du flux de leptons est 2% (30%) et l'incertitude systématique est 3% (40%). Comme les flux se comportent globalement en loi de puissance en fonction de l'énergie, il est important de maitriser la calibration en énergie. Nous avons contrôlé in situ la mesure en énergie du calorimètre en comparant les électrons des données de vol et les données de tests en faisceaux, en utilisant en particulier la variable E/p ou p est la quantité de mouvement mesurée par le trajectomètre. Une deuxième méthode de calibration absolue à basse énergie, indépendante du trajectomètre, basée sur l'effet de la coupure géomagnétique a été développée. Deux modèles de prédiction de la coupure géomagnétique, l'approximation Störmer et le modèle IGRF, ont été testés et comparés. Ces deux méthodes ont permis de contrôler la calibration en énergie à 2% et de vérifier la stabilité des performances du calorimètre dans le temps. / The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector installed on the International Space Station; it starts to record data since May 2011. The experiment aims to identify the nature of charged cosmic rays and photons and measure their fluxes in the energy range of GeV to TeV. These measurements enable us to refine the cosmic ray propagation models, to perform indirect research of dark matter and to search for primordial antimatter (anti-helium). In this context, the data of the first years have been utilized to measure the electron flux and lepton flux (electron + positron) in the energy range of 0.5 GeV to 700 GeV. Identification of electrons requires an electrons / protons separation power of the order of 104, which is acquired by combining the information from different sub-detectors of AMS, in particular the electromagnetic calorimeter (ECAL), the tracker and the transition radiation detector (TRD). In this analysis, the numbers of electrons and leptons are estimated by fitting the distribution of the ECAL estimator and are verified using the TRD estimator: 11 million leptons are selected and analyzed. The systematic uncertainties are determined by changing the selection cuts and the fit procedure. The geometric acceptance of the detector and the selection efficiency are estimated thanks to simulated data. The differences observed on the control samples from data allow to correct the simulation. The systematic uncertainty associated to this correction is estimated by varying the control samples. In total, at 100 GeV (resp. 700 GeV), the statistic uncertainty of the lepton flux is 2% (30%) and the systematic uncertainty is 3% (40%). As the flux generally follows a power law as a function of energy, it is important to control the energy calibration. We have controlled in-situ the measurement of energy in the ECAL by comparing the electrons from flight data and from test beams, using in particular the E/p variable where p is momentum measured by the tracker. A second method of absolute calibration at low energy, independent from the tracker, is developed based on the geomagnetic cutoff effect. Two models of geomagnetic cutoff prediction, the Störmer approximation and the IGRF model, have been tested and compared. These two methods allow to control the energy calibration to a precision of 2% and to verify the stability of the ECAL performance with time.

Les rayons cosmiques (RC) ont un rôle fondamental sur la dynamique et l'évolution chimique des nuages moléculaires interstellaires, qui sont le lieu de formation stellaire et planétaire. Les RC sont probablement accélérés dans les enveloppes en expansion des rémanents de supernova (SNR), ainsi les nuages moléculaires situés à proximité peuvent être soumis à d'intenses flux de RC. Les protons relativistes ont principalement deux effets sur les nuages moléculaires : 1) en rencontrant le milieu dense, les protons de haute énergie (>280 MeV) induisent via la désintégration des pions l'émission de photons gamma. à cause de ce processus, les associations SNR-nuages moléculaires sont des sources intenses d'émission GeV et/ou TeV présentant des spectres similaires à celui des protons incidents. 2) à plus basse énergie, les RC pénètrent le nuage et ionisent le gaz, induisant la formation d'espèces moléculaires caractéristiques appelées traceurs de l'ionisation. L'étude de ces traceurs permet de déduire des informations sur les RC de basse énergie inaccessibles aux autres méthodes d'observation. J'ai étudié l'ionisation des nuages moléculaires par les RC près de trois SNR : W28, W51C et W44. Il existe des preuves observationnelles d'interaction avec le nuage voisin pour chaque SNR (présence de gaz choqué, masers OH, émission gamma). Mon travail repose sur la comparaison d'observations millimétriques des traceurs de l'ionisation à des modèles de chimie appliqués à ces nuages denses. Dans chaque région, nous avons déterminé un taux d'ionisation supérieur à la valeur standard, confortant l'hypothèse d'une origine des RC dans l'enveloppe du SNR voisin. L'existence d'un gradient d'ionisation en s'éloignant de l'onde de choc du SNR apporte des contraintes précieuses sur les propriétés de propagation des RC de basse énergie. La méthode utilisée repose sur l'observation des ions moléculaires HCO+ et DCO+, qui montre des limitations importantes à haute ionisation. C'est pourquoi j'ai également cherché à identifier des traceurs alternatifs de l'ionisation, par un effort croisé de modélisation et d'observation. En particulier, dans la région W44, les observations de N2H+ ont permis de mieux contraindre les conditions physiques, les abondances volatiles dans le nuage et l'état d'ionisation du gaz. Ce projet de recherche a amené une meilleure compréhension de la chimie induite par les RC dans les nuages moléculaires. Il a également ouvert de nouvelles perspectives de recherche interdisciplinaire vers la compréhension des RC, des observations millimétriques aux observations gamma. / Cosmic rays (CR) are of tremendous importance in the dynamical and chemical evolution of interstellar molecular clouds, where stars and planets form. CRs are likely accelerated in the shells of supernova remnants (SNR), thus molecular clouds nearby can be irradiated by intense fluxes of CRs. CR protons have two major effects on dense molecular clouds: 1) when they encounter the dense medium, high-energy protons (>280 MeV) create pions that decay into gamma-rays. This process makes SNR-molecular cloud associations intense GeV and/or TeV sources whose spectra mimic the CR spectrum. 2) at lower energies, CRs penetrate the cloud and ionise the gas, leading to the formation of molecular species characteristic of the presence of CRs, called tracers of the ionisation. Studying these tracers gives information on low-energy CRs that are unaccessible to any other observations. I studied the CR ionisation of molecular clouds next to three SNRs: W28, W51C and W44. These SNRs are known to be interacting with the nearby clouds, from the presence of shocked gas, OH masers and pion-decay induced gamma-ray emission. My work includes millimeter observations and chemical modeling of tracers of the ionisation in these dense molecular clouds. In these three regions, we determined an enhanced CR ionisation rate, supporting the hypothesis of an origin of the CRs in the SNR nearby. The evolution of the CR ionisation rate with the distance to the SNR brings valuable constraints on the propagation properties of low-energy CRs. The method used relies on observations of the molecular ions HCO+ and DCO+, which shows crucial limitations at high ionisation. Therefore, I investigated, both through modeling and observations, the chemical abundances of several other species to try and identity alternative tracers of the ionisation. In particular, in the W44 region, observations of N2H+ bring additional constraints on the physical conditions, volatile abundances in the cloud, and the ionisation state. This research brought valuable insight into the CR induced chemistry in the interstellar medium. It also brought new perspectives of interdisciplinary research towards the understanding of CRs, from millimeter to gamma-ray observations.

Le rayonnement cosmique, mis en évidence par Viktor Hess en 1912, est composé de particules chargées, créées et possiblement accélérées dans les restes de supernova, et qui se propagent dans la Galaxie. La mesure des flux du rayonnement cosmique permet de mettre des contraintes sur leurs sources et leur transport, mais aussi de se pencher sur le problème de la matière sombre.C'est pour répondre à ces questions qu'a été construit le détecteur AMS-02, mis en place sur la station spatiale internationale depuis mai 2011. Ce détecteur de haute précision mesure l'ensemble des flux de particules du rayonnement cosmique.Le travail proposé dans cette thèse consiste à estimer le flux de protons avec le détecteur AMS-02. L'accent est mis sur la déconvolution des effets de la réponse en énergie du détecteur sur les flux et sur la caractérisation du flux obtenu à haute énergie (au-dessus de 200 GeV/n) avec la mise en évidence d'une cassure spectrale.D'autre part, le soleil émet un plasma qui interagit avec les particules du rayonnement cosmique, modifiant les flux issus de la propagation dans la Galaxie. Cette modification évolue dans le temps en suivant le cycle d'activité solaire et est appelée modulation solaire. Dans ce cadre, nous avons obtenu une nouvelle détermination robuste des flux interstellaires de protons et d'hélium en nous basant sur les données récentes du rayonnement cosmique (incluant AMS-02). Les niveaux de modulation solaire obtenus sont validés avec une seconde analyse réalisée à partir des données des moniteurs à neutrons, détecteurs au sol, qui permettent d'établir des séries en temps du paramètre de modulation depuis les années 50. / Cosmic rays (CR) were discovered by Viktor Hess in 1912. Charged CR are synthesized and supposedly accelerated in supernova remnants, then propagate through the Galaxy. CR flux measurement set constraints on CR sources and propagation, but may also bring answers to the dark matter problem.AMS-02 is a high precision particle physics detector placed on the international space station since may 2011. It measures the CR fluxes of many species.This thesis deals with the proton flux estimation measured by the AMS-02 instrument. The focus is set on the unfolding of the instrument energy response impacting the flux, and on the caracterisation of the high-energy spectral break.The Sun produces a plasma which interacts with CR particles, modifying the flux obtained from galactic propagation. This modification evolves through time following the solar activity cycle, and is denoted solar modulation. In this framework, decolving from this effect, a robust determination of the proton and helium interstellar fluxes is obtained using recent high precision CR data including AMS-02. The associated solar modulation levels are cross-checked with a second estimation taken from neutron monitors (ground based detectors) data, allowing solar modulation time series reconstruction from the 50s.