JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) est une expérience basée sur un télescope spatial d’optique diffractive, avec des lentilles de Fresnel, qui sera installé sur l’ISS en 2020. Il a comme but l’étude des UHECR et vise à améliorer d’un facteur de 10 les mesures actuelles de l’Observatoire Pierre-Auger. Le télescope EUSO-Balloon, qui a été validé technologiquement en 2014 a été le premier prototype intégrant l’ensemble de la chaîne de détection du télescope JEM-EUSO. Le principe de détection est basé sur la capture des photons UV individuels (photodétection) produits par fluorescence lors de l’interaction d’EAS avec l’atmosphère terrestre. Cette lumière est si faible qu’elle nécessite un instrument avec une efficacité de 100% pour la détection d’un photon. Le travail présenté dans ce manuscrit a porté sur toutes les étapes du projet EUSO-Balloon. Un procédé original de récupération de l’information des pixels avec une sensibilité faible a été développé. Le procédé consiste à utiliser une courbe (s-curve) générée par la modification du seuil de discrimination des signaux analogiques provenant des anodes des MAPMTs. Elle est valable pour tous les télescopes EUSO et sera utile dans l’espace, où la manipulation de l’appareil est limitée. / JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) is an experiment based on a diffractive optical telescope, with Fresnel lenses, that will be installed on the ISS in 2020. It aims to study the UHECR, improving by a factor of 10 the current measurements of the Pierre-Auger Observatory. The EUSO-Balloon telescope, technically validated in 2014, was the first prototype with the entire detection chain of the JEM-EUSO telescope. The detection principle is based on the capture of individual UV photons (photodetection) produced by fluorescence when the EAS interact with the Earth’s atmosphere. The fluorescence light is so low that an instrument with 100% efficiency for the detection of a photon, is required. The work presented in this manuscript has dealt with all the steps of EUSO-Balloon project. An original procedure has been developed to recover the information from pixels with low sensitivity. The method consists in using a curve generated by the modification of the threshold used to discriminate the analog signals produced by the anodes of the MAPMTs. It is valid for all EUSO telescopes and will be most useful in space where the manipulation of the apparatus is limited.

Cosmic rays reach Earth from beyond the Milky Way and with energies up to 10^20 eV.The responsible accelerators have to date not been discovered. However, multi-messenger astronomy can shed light on the question, based on the principle that protons and nuclei accelerated in dense and energetic environments would also produce gamma rays and neutrinos. Such environments may be found in "blazars", which are therefore cosmic ray accelerator candidates. Their gamma-ray emission has been observed to increase, sometimes by orders of magnitude, during "flares" as observed in light curves taken by the Large Angle Telescope on the Fermi satellite. When the latter was launched in 2008, the IceCube Neutrino Observatory had also started taking data, detecting the Cherenkov light from high-energy neutrino interactions in the glacier ice under the geographic South Pole. These two experiments have enabled multi-messenger searches for neutrinos in time correlation with the gamma-ray emission from blazars. This work builds on this principle and extends it by "stacking" the signal from multiple blazar flares. Thus, their individually undetectable neutrino emission could still be discoverable. One first analysis focused on the blazar TXS 0506+056, whose flare in 2017 coincided with arrival of the neutrino IceCube-170922A. Extending into a lower energy range than the alert, the search found no additional excess neutrinos associated with the flare. A second analysis used 179 bright and variable blazars. They were divided in two specific blazar classes and weighted relatively to each other, with two weighting schemes motivated physically using the observed gamma-ray luminosity and a third, generic weighting to cover unconsidered scenarios. No significant neutrino excess was found in the unblinded likelihood fits for any of the source catalogues and weighting schemes. Their combined trial-corrected p-value was p=(79.1 +/- 0.3)%. The limits derived from this analysis are also discussed and its relation with other searches considered. Since that was the first "blazar flare stacking", this work also proposes further improvements to the analysis which will help advance the search for cosmic ray accelerators. / Les rayons cosmiques proviennent d'au-delà de la Voie lactée et atteignent la Terre avec des énergies pouvant aller jusqu'à 10^20 eV. Les objets qui accélèrent ces rayons cosmiques n'ont toujours pas été découverts. Toutefois, l'astronomie multimessager peut apporter un élément de réponse à cette question, en supposant que les protons et les noyaux accélérés dans des environnements denses et énergétiques pourraient également produire des rayons gamma et des neutrinos. Les "blazars" sont de possibles candidats pour les accélérateurs de rayons cosmiques. Une augmentation de leurs émissions de rayons gamma, parfois de plusieurs ordres de grandeur, a été observée lors de phénomènes qu'on appelle "éruption", comme le montrent les courbes de lumière prises par le télescope spatial Fermi-LAT. Lorsque ce dernier a été lancé en 2008, l'observatoire de neutrinos IceCube avait également commencé à prendre des données, détectant la lumière Tcherenkov provenant d'interactions de neutrinos à haute énergie dans la glace qui se trouve sous le Pôle Sud géographique. Ces deux expériences ont permis de mener à bien des recherches multi-messagers de neutrinos en corrélation temporelle avec l'émission de rayons gamma des blazars. Ce principe est le point de départ de cette thèse, qui va plus loin en employant la méthode du "stacking", qui consiste à combiner les signaux provenant de plusieurs éruptions de blazars. Ainsi, leurs émissions individuelles de neutrinos, habituellement indétectables, pourraient être découvertes après combinaison. Une première analyse s'est concentrée sur le blazar TXS 0506+056, dont l'éruption en 2017 a coïncidée avec l'arrivée de l'évènement IceCube-170922A. En considérant une gamme d'énergie inférieure à celle de l'alerte 170922-A, pas d’autres neutrino excédentaire n’a été associé à l'éruption. Une deuxième analyse est basée sur 179 blazars lumineux et variables. Ces blazars ont été répartis en deux classes spécifiques, et chacun d'entre eux a reçu un poids relatif. Trois schémas de pondération ont été considérés :les deux premiers étant motivés par des observations, le troisième étant plus générique. Aucun excès significatif de neutrinos n'a été observé après avoir effectué des ajustements par maximum de vraisemblance sur les données non masquées, pour les différents catalogues de sources et schémas de pondération. Leur valeur-p combinée est de p=(79.1 +/- 0.3)%. Les limites dérivées de cette analyse sont discutées ainsi que leur rapport avec les résultats d'autres recherches. Puisqu'il s'agit du premier stacking d'éruptions de blazars, nous suggérons également des améliorations à apporter à l'analyse afin de permettre la poursuivre de la recherche d'accélérateurs de rayons cosmiques. / Kosmische straling afkomstig van buiten de Melkweg bereikt de Aarde met energieën tot wel 10^20 eV. De astrofysische bronnen waarin deze deeltjes worden versneld zijn tot op heden nog niet ontdekt. De multi-boodschapperastronomie kan een nieuw licht werpen op de oorsprong van kosmische straling, aangezien protonen en atoomkernen die worden versneld in een dichte en energetische omgeving ook gammastralen en neutrino’s produceren. „Blazars” zijn mogelijke kandidaat-versnellers. Observaties van blazars, gemaakt met de ruimtetelescoop Fermi-LAT ,tonen aan dat hun gammastraling tijdens zogenaamde „flakkers” toeneemt. Rond de tijd dat deze werd gelanceerd, begon het IceCube Neutrino Observatorium ook gegevens te verzamelen. Deze laatste detecteert hoog-energetische neutrino’s aan de hand van het Cherenkovlicht dat geproduceerd wordt tijdens hun interacties met de ijskap bij de geografische zuidpool. Deze twee experimenten hebben het mogelijk gemaakt om een multibooschapperzoektocht te verrichten naar neutrino’s van blazars die een tijdscorrelatie hebben met diens flakkers van gammastraling. Dit is het uitgangspunt van dit proefschrift, waarbij er ook een zogenaamde „stapelmethode” wordt toegepast. Op deze manier kan de neutrino-emissie van indivuele blazarflakkers, die afzonderlijk te zwak is om te detecteren, gecombineerd worden en mogelijks toch worden ontdekt. Een eerste analyse legt de focus op de blazar TXS 0506+056, waarvan een flakker in 2017 samenviel met de aankomst van het neutrino IceCube 170922-A. In een relatief lager energiebereik wordt er geen surplus aan neutrino’s gevonden gecorreleerd met de flakker. In een tweede analyse maken we gebruik van de stapelmethode om neutrino’s te zoeken afkomstig van 179 heldere en variabale blazars. Deze worden onderverdeeld in twee specifieke klassen en krijgen elks een zeker gewicht in de stapelanalyse. Hiervoor worden twee wegingsschema’s gebruikt die gemotiveerd zijn door de geobserveerde gammastraling, alsook een derde generieke weging. Ook hierwordt er geen significant neutrinosignaal geobserveerd. De gecombineerde p waarde is p=(79.1 +/- 0.3)%. Hieruit worden limieten afgeleid, en worden de verbanden met andere zoekacties besproken. Aangezien dit werk de eerste analyse omvat naar neutrino’s afkomstig van blazarflakkers gebruik makende van een stapelmethode, worden er in dit werk ook verdere verbeteringen van de analyse voorgesteld. Deze zullen als een startpunt dienen voor toekomstige zoektochten naar de nog onbekende bronnen van kosmische straling. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Malgré la découverte des rayons cosmiques il y a plus de cent ans, de nombreuses questions restent aujourd’hui sans réponse : que sont les rayons cosmiques, comment sont-ils créés et d’où viennent-ils ? Depuis 2002, l’instrument CODALEMA, basé sur le site de l’Observatoire de radio-astronomie de Nançay, étudie les rayons cosmiques d’ultra haute énergie (RCUHE, au delà de 1017 eV) qui arrivent dans l’atmosphère terrestre. Leur faible flux rend impossible une détection directe à ces énergies. Ces rayons cosmiques vont cependant interagir avec les atomes de l’atmosphère, engendrant une cascade de particules secondaires chargées communément appelée gerbe de particules, détectable depuis le sol, et dont on va extraire des informations sur le rayon cosmique primaire. L’objectif est de remonter aux caractéristiques du primaire ayant engendré la gerbe de particules, donc de déterminer sa direction d’arrivée, sa nature et son énergie. Lors du développement de la gerbe, les particules chargées en mouvement engendrent notamment l’émission d’une impulsion de champ électrique très brève, que CODALEMA détecte au sol avec des antennes radio dédiées, sur une large bande de fréquences (entre 1 et 200 MHz). L’avantage majeur de la radio-détection est sa sensibilité au profil complet de la gerbe et son cycle utile proche des 100 %, qui pourrait permettre d’augmenter le nombre d’évènements détectés à très haute énergie, et donc de mieux contraindre les propriétés des RCUHE. Au fil des ans, des efforts importants ont été consacrés à la compréhension de l’émission radio-électrique des grandes gerbes de particules dans la gamme [20-80] MHz mais, malgré certaines études menées jusqu’aux années 90, la bande [1-10] MHz est restée inutilisée pendant près de 30 ans. L’une des contributions de cette thèse porte sur l’expérience EXTASIS, adossée à CODALEMA, qui vise à ré-investiguer cette bande et à étudier la contribution dite de ”mort subite”, impulsion de champ électrique créé par les particules de la gerbe lors de leur arrivée et de leur disparition au sol. Nous présentons la configuration instrumentale d’EXTASIS, composée de 7 antennes basses fréquences exploitées dans [1.7-3.7] MHz, couvrant environ 1 km2. Nous rapportons l’observation, sur 2 ans, de 25 évènements détectés en coïncidence par CODALEMA et EXTASIS et estimons un seuil de détection de 23±4 μV/m à partir de comparaisons avec des simulations. Nous rapportons également une forte corrélation entre l’observation du signal basse fréquence et le champ électrique atmosphérique. L’autre contribution majeure de cette thèse porte sur l’étude du champ électrique émis par les gerbes et l’amélioration des performances du détecteur dans la bande [20-200] MHz. Nous proposons dans un premier temps une méthode de calibration des antennes de CODALEMA en utilisant l’émission radio de la Galaxie. Nous investiguons aussi plusieurs algorithmes de réjection de bruit afin d’améliorer la sélectivité des évènements enregistrés. Nous présentons ensuite une méthode de reconstruction des paramètres du rayon cosmique primaire, mettant en oeuvre des comparaisons combinant des informations de polarisation et fréquentielles entre les données enregistrées et des simulations, nous menant enfin à une proposition de composition en masse des rayons cosmiques détectés. / Despite the discovery of cosmic rays there are more than one hundred years ago, many questions remain unanswered today: what are cosmic rays, how are they created and where do they come from ? Since 2002, the CODALEMA instrument, located within the Nançay Radio Observatory, studies the ultra-high energy cosmic rays (UHECR, above 1017 eV) arriving in the Earth atmosphere. Their low flux makes it impossible to detect them directly at these energies. These cosmic rays, however, will interact with the atoms of the atmosphere, generating a cascade of secondary charged particles, commonly known as extensive air shower (EAS), detectable at ground level, and from which we will extract information on the primary cosmic ray. The objective is to go back to the characteristics of the primary that generated the EAS, thus to determine its direction of arrival, its nature and its energy. During the development of the shower, these charged particles in movement generate a fast electric field transient, detected at ground by CODALEMA with dedicated radio antennas over a wide frequency band (between 1 and 200 MHz). The major advantage of radio-detection is its sensibility to the whole profile of the shower and its duty cycle close to 100 %, which could increase the number of events detected at very high energy, and thus to better constrain the properties of the RCUHE. Over the years, significant efforts have been devoted to the understanding of the radio emission of extensive air shower (EAS) in the range [20-80] MHz but, despite some studies led until the nineties, the[1-10] MHz band has remained unused for nearly 30 years. One of the contributions of this thesis concerns the EXTASIS experiment, supported by the CODALEMA instrument, which aims to reinvestigate the [1-10] MHz band and to study the so-called ”sudden death” contribution, which is the expected impulsive electric field created by the particles at their arrival and their disappearance on the ground. We present the instrumental set up of EXTASIS, composed of 7 low frequency antennas exploited in [1.7-3.7] MHz, covering approximately 1 km2. We report the observation, over 2 years, of 25 low-frequency events detected in coincidence by CODALEMA and EXTASIS and estimate a detection limit of 23±4 μV/m from comparisons with simulations. We also report a strong correlation between the observation of the low frequency signal and the atmospheric electric field. The other major contribution of this thesis concerns the study of the electric field emitted by the EAS and the improvement of the detector’s performances in the [20-200] MHz band. First, we propose a calibration method for CODALEMA antennas using the radio emission of the Galaxy. We are also investigating several noise rejection algorithms to improve the selectivity of recorded events. We then present a method for reconstructing the parameters of the primary cosmic ray, implementing systematic comparisons combing polarization and frequency information between the recorded data and simulations, leading finally to a proposal for a mass composition of cosmic rays detected.

L’expérience JEM-EUSO (traduction de Observatoire spatial de l’univers extrême à bord du module de l'expérience japonaise) est conçu pour observer les UHECR en détectant la lumière fluorescente UV émise par la gerbe qui se développe lorsque les UHECR interagissent avec l'atmosphère terrestre. Les gerbes atmosphériques sont constituées de dizaines de milliards de particules secondaires ou plus traversant l'atmosphère quasiment à la vitesse de la lumière, excitant les molécules d'azote qui émettent ensuite de la lumière dans la gamme UV. Alors que cette « technique de fluorescence » est habituellement utilisée au sol, en opérant ainsi à partir de l'espace, JEM-EUSO, pour la première fois, fournira des statistiques élevées sur ces événements. Avec un large champ de vue de ± 30 °, JEM-EUSO pourra observer depuis l’espace un volume d'atmosphère beaucoup plus grand que ce qui est possible du sol, en collectant un nombre sans précédent d'événements UHECR aux plus hautes énergies.Pour les quatre prototypes d’expériences construites par la collaboration, nous avons développé un ensemble commun d'électronique, en particulier le système central d'acquisition de données capable de fonctionner au sol, sur des ballons à haute altitude et dans l'espace.Ces expériences utilisent toutes un détecteur composé d'un module de détection de photo (PDM) identique aux 137 qui seront présents sur la surface focale JEM-EUSO. La lumière UV générée par les gerbes atmosphériques à haute énergie passe le filtre UV et frappe les tubes à photomultiplicateurs multi-anodes (MAPMT). Les photons UV sont alors transformés en électrons, qui sont multipliés par les MAPMT et le courant qu’ils créent est amplifié par des cartes ASIC de circuit intégré (EC-ASIC), qui effectuent également le comptage des photons et l'estimation de charge. Une carte FPGA nommé PDM board s'interface avec ces cartes ASIC, fournissant des paramètres d'alimentation et de configuration à ces cartes ASIC, collecte alors les données et exécute le déclenchement d’acquisition de niveau 1.Dans le cadre de ces travaux, je me suis occupée de la conception, du développement, de l'intégration et du test la carte FPGA PDM board pour les missions EUSO-TA et EUSO-Balloon ainsi que des tests d'algorithme de déclenchement autonomes d’acquisitions et j'ai également analysé les données de vol d’EUSO-Balloon et de la campagne sol EUSO-TA d’octobre 2015.Dans cette thèse, je donnerai un bref aperçu des rayons cosmiques à haute énergie, y compris de leur technique de détection et des principales expériences pour les détecter (chapitre 1), je décrirai JEM-EUSO et ses pathfinders (chapitre 2), je présenterai les détails de la conception et de la fabrication du PDM (chapitre 3) et de la carte FPGA PDM board (chapitre 4), ainsi que des tests d'intégration d’EUSO-TA et d’EUSO-Balloon (chapitre 5). Je ferai un rapport sur la campagne EUSO-Balloon de 2014 (chapitre 6) et sur ses résultats (chapitre 7), y compris une analyse spécifique développée pour rechercher des variations globales de l'émissivité UV au sol et j’appliquerai une analyse similaire aux données collectées sur le site de Telescope Array (Chapitre 8). Enfin, je présenterai la mise en œuvre et le test du déclencheur de premier niveau (L1) dans la carte de contrôle FPGA (chapitre 9). Un bref résumé de la thèse sera donné au chapitre 10. / The JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on-board the Japanese Experiment Module) international space mission is designed to observe UHECRs by detecting the UV fluorescence light emitted by the so-called Extensive Air Shower (EAS) which develop when UHECRs interact with the Earth’s atmosphere. The showers consist of tens of billions or more secondary particles crossing the atmosphere at nearly the speed of light, which excite nitrogen molecules which then emit light in the UV range. While this so-called “fluorescence technique'” is routinely used from the ground, by operating from space, JEM-EUSO will, for the first time, provide high-statistics on these events. Operating from space, with a large Field-of-View of ±30 °, allows JEM-EUSO to observe a much larger volume of atmosphere, than possible from the ground, collecting an unprecedented number of UHECR events at the highest energies.For the four pathfinder experiments built within the collaboration, we have been developing a common set of electronics, in particular the central data acquisition system, capable of operating from the ground, high altitude balloons, and space.These pathfinder experiments all use a detector consisting of one Photo-detection Modules (PDMs) identical to the 137 that will be present on the JEM-EUSO focal surface. UV light generated by high-energy particle air showers passes the UV filter and impacts the Multi-anode Photomultiplier Tubes (MAPMT). Here UV photons are converted into electrons, which are multiplied by the MAPMTs and fed into Elementary Cell Application-Specific Integrated Circuit (EC-ASIC) boards, which perform the photon counting and charge estimation. The PDM control board interfaces with these ASIC boards, providing power and configuration parameters, collecting data and performing the level 1 trigger. I was in charge of designing, developing, integrating, and testing the PDM control board for the EUSO-TA and EUSO-Balloon missions as well as the autonomous trigger algorithm testing and I also performed some analysis of the EUSO-Balloon flight data and data from the EUSO-TA October 2015 run.In this thesis, I will give a short overview of high-energy cosmic rays, including their detection technique and the leading experiments (Chapter 1), describe JEM-EUSO and its pathfinders including a description of each instrument (Chapter 2), present the details of the design and the fabrication of the PDM (Chapter 3) and PDM control board (Chapter 4), as well as the EUSO-TA and EUSO-Balloon integration tests (Chapter 5). I will report on the EUSO-Balloon campaign (Chapter 6) and results (Chapter 7), including a specific analysis developed to search for global variations of the ground UV emissivity, and apply a similar analysis to data collected at the site of Telescope Array (Chapter 8). Finally, I will present the implementation and testing of the first-level trigger (L1) within the FPGA of the PDM control board (Chapter 9). A short summary of the thesis will be given in Chapter 10.

Le champ magnétique est un ingrédient physique parmi les plus communs dans les environnements astrophysiques. Bien qu'il ait été étudié depuis de nombreuses décennies, certains de ses domaines d'application sont encore mystérieux, en particulier celui qui est associé à la turbulence magnétique. Ce phénomène apparaît dans des problèmes encore non résolus à ce jour. Le sujet de cette thèse porte sur l'étude de cette turbulence dans les disques d'accrétion magnétisés et képlériens lançant des jets, ainsi que sur ses effets sur le transport des rayons cosmiques. La première partie de cette thèse montre que les disques d'accrétion magnétisés képlériens soumis à une turbulence magnétohydrodynamique (MHD) peuvent être le siège d'une production stationnaire de jets MHD de matière sous certaines conditions. L'ajout des effets dus à la viscosité du plasma ainsi que l'implémentation d'une équation d'énergie modélisant une couronne chauffante sont les points clés de cette première partie. J'ai en particulier montré à la fois analytiquement et numériquement que le rapport entre couple de freinage magnétique et visqueux était contraint par les propriétés de la turbulence MHD. J'ai aussi montré que la prise en compte plus fine de l'équation d'énergie était nécessaire pour une description plus fidèle des jets observés dans l'Univers. Cette équation fait intervenir nombres de processus de chauffages et de transport d'énergie dont la prise en compte dans l'approximation fluide n'est pas possible. J'insiste, dans cette première partie, sur la necessité d'une approche cinétique de ces phénomènes afin de pouvoir mieux les décrire macroscopiquement. C'est cette étude qui a motivé la suite de ma thèse. Afin de mieux connaître les influences de la turbulence magnétique sur le transport de particules chargées, j'ai entrepris une étude sur la diffusion spatiale et angulaire des hadrons avec un champ magnétique chaotique dont la distribution spectrale en loi de puissance peut être reliée à celle qu'engendrerait une turbulence de type Kolmogorov ou Kraichnan. Les résultats de cette étude ont permis d'obtenir des réponses nouvelles sur des régimes de diffusion dans des domaines de turbulence encore jamais étudiés. En particulier, j'ai montré que les coefficients de diffusion spatiale parallèle au champ magnétique à grande échelle ainsi que le coefficient de diffusion angulaire suivaient un comportement dans le domaine de résonance extrapolant celui prédit par la théorie quasi-linéaire dans le cas de la très faible turbulence. A l'opposé, le coefficient de diffusion perpendiculaire suit un comportement, dans ce même domaine, non prédit par la théorie quasi-linéaire. Ce régime est assimilable à un régime de diffusion anormale amplifiée par la présence de chaos magnétique. De plus, en dehors du domaine de résonance avec le chaos, les comportements de tous ces coefficents sont différents de ceux attendus. Enfin, l'existence d'un régime de diffusion de Bohm n'a pas été démontrée quelque soit le niveau de chaos magnetique

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.

Le système de télescopes H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) est une expérience constituée de quatre imageurs Cherenkov atmosphériques destinés à observer les rayons gamma de plus de 100 GeV et jusqu'à quelques dizaines de TeV. En 2012, une seconde phase de l'expérience consistera en l'ajout d'un cinquième télescope de 28 mètres de diamètre au centre du système existant. Au seuil de déclenchement de 15 GeV, les événements ne seront visibles que par ce grand télescope, une nouvelle méthode de reconstruction est proposée. A l'aide de plusieurs réseaux de neurones, l'énergie de gerbes électromagnétiques est bien reconstruite avec une discrimination du fond hadronique efficace à partir de 30 GeV. A basse énergie, la sensibilité totale permettra de détecter une source de quelques pourcent du Crabe en 50 heures. Cette méthode est testée sur les données de H.E.S.S. et s'avère compétitive ; une extension est présentée pour les événements stéréoscopiques. Les tests mis en place pour l'étalonnage des photomultiplicateurs sont présentés ainsi que les résultats obtenus. Un modèle de propagation de rayons cosmiques a été développé pour étudier l'émission du fond diffus gamma. Pour cela, il a fallu propager les protons et les noyaux hélium dans la galaxie et estimer le taux de pions neutres issus des interactions avec le milieu. La méthode de génération des cartes est décrite jusqu'à leur établissement. Dans le cas de H.E.S.S., j'ai estimé les sensibilités pour les comparer aux flux prédits par la modélisation. La galaxie naine sphéroïdale du Sagittaire a été étudiée comme source présumée de matière noire. Pour cela, les données ont été réparties en angles zénithaux similaires pour étudier l'effet du seuil de l'analyse dans les observations en utilisant les analyses les plus performantes de la collaboration H.E.S.S. Les sensibilités de détection ont été améliorées. Aucun excès d'événements notable n'a été observé.

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.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

EUSO est un projet de détection spatiale des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Son principe consiste à observer les photons de fluorescence émis par les gerbes atmosphériques depuis un télescope embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale.<br />Au cours de cette thèse, un logiciel de simulation a été développé pour étudier les caractéristiques de ce nouveau concept de détection. Il modélise les différentes étapes de la détection : développement des gerbes atmosphériques, génération des photons de fluorescence et Cerenkov, et transfert des photons jusqu'à la lentille du télescope. Il inclut notamment un algorithme Monte-Carlo de propagation des photons dans l'atmosphère, traitant la diffusion multiple en conditions de ciel clair ainsi qu'en présence de nuages et d'aérosols.<br />Avec ce programme de simulation, l'impact des conditions atmosphériques sur les performances d'un détecteur spatial a été étudié. La modélisation précise de la propagation des photons dans l'atmosphère a permis de quantifier la contribution des photons diffusés au signal détecté.