Ce travail de these s'inscrit dans le contexte des recherches sur la fusion par confinement inertiel. Il concerne plus particulierement le schema de l'allumage rapide, qui prevoit l'utilisation d'impulsions laser ultra-intenses pour amorcer les reactions nucleaires dans le combustible. Jusqu'a present, la faisabilite de ce scenario n'a pas encore ete prouvee. Il depend de nombreux aspects fondamentaux de la physique mise en jeu, qui ne sont pas encore entierement maıtrises. Dans ce travail, nous nous sommes proposes d'etudier experimentalement un des aspects fondamentaux de ce nouveau schema : le transport d'energie par les electrons relativistes crees par un faisceau laser ultra-intense.

Les orages sont des sources de phénomènes transitoires intenses, notamment lumineux, dans le domaine visible, mais également dans le domaine des rayons X et gamma. Ces phénomènes sont détectés sous la forme de flash de photons X et gamma appelés "Terrestrial Gamma Ray Flashes" (TGF). L'objet de cette thèse est le développement d'un modèle numérique pour étudier et comprendre les mécanismes associés aux TGF. L'étude des TGF est donc importante pour comprendre la physique des éclairs et des orages (qui sont des phénomènes très communs mais dont la microphysique reste encore très mal comprise) ainsi que le couplage entre l'atmosphère et l'ionosphère de la Terre. Cette thèse s'inscrit plus particulièrement dans le cadre de la préparation de la mission TARANIS du CNES, qui sera lancée en 2017. TARANIS disposera en particulier des instruments XGRE et IDEE, capables de caractériser les photons X/gamma et les électrons relativistes associés. Après son émission, vers 15 km d'altitude, le flux de rayons gamma du TGF est filtré et altéré par l'atmosphère, et une petite partie peut être détectée par un satellite en orbite basse. Cette dernière est constituée de photons primaires diffusés, ainsi que d'électrons, de positrons et de photons produits de manière secondaire. Une partie des leptons secondaires va pouvoir sortir de l'atmosphère et sera ensuite confinée par les lignes de champ géomagnétique. Ainsi, pouvoir établir des contraintes sur le mécanisme source des TGF à partir des observations est un problème inverse très complexe, qui ne peut être traité que par le développement d'un modèle de transport des particules énergétiques impliquées. Dans cette thèse, nous faisons dans un premier temps une synthèse des principaux travaux ayant été effectués concernant les observations et la modélisation associées aux TGF, depuis leur découverte, il y a environ 20 ans, jusqu'à nos jours. Dans un deuxième temps, nous présentons et justifions la validité du modèle MC-PEPTITA de transport des particules énergétiques concernées. Ce dernier utilise des méthodes Monte-Carlo, les jeux de sections efficaces EPDL et EEDL, des méthodes d'interaction similaires à celles présentées dans le code PENELOPE. De plus, des modèles extérieurs pour l'atmosphère (NRLMSISE-00) et pour le champ magnétique terrestre (IGRF-11) y sont intégrés. Le modèle collisionnel de MC-PEPTITA est ensuite validé par comparaison avec le code de référence GEANT4 du CERN. Une fois le modèle construit et validé, nous présentons et décomposons en détail la simulation d'un événement TGF typique pour en faire ressortir toute sa complexité. Finalement, nous procédons à des comparaisons directes entre le modèle et les données mesurées par le télescope spatial Fermi pour établir ou vérifier des propriétés importantes concernant les TGF et les faisceaux d'électrons et de positrons associés. / Thunderstorms are sources of intense transient phenomena, including light in the visible range and also in X and gamma rays. These phenomena are detected in the form of photon flashes called "Terrestrial Gamma Ray Flashes" (TGF). The purpose of this thesis is the development of a numerical model to study and understand the mechanisms associated with TGF. Studying TGF is then important to understand the physics of lightning and thunderstorms (which are very common phenomena, but the micro-physics is still poorly understood), together with the coupling between the atmosphere and the ionosphere of the Earth. This thesis is also part of the preparation for the TARANIS mission from the CNES, which will be launched in 2017. Among others, TARANIS will have the XGRE and IDEE instruments, able to characterize X/gamma photons and the associated relativistic electrons. After its emission, at around 15 km altitude, this flux of gamma-rays are filtered and altered by the atmosphere and a small part of it may be detected by a satellite in low earth orbit. This last is made of scattered primary photons, together with secondary produced electrons and positrons. A part of these secondary can escape the atmosphere and will then be confined by geomagnetic field lines. Thus, trying to get information on the initial flux from the measurement is a very complex inverse problem, which can only be tackled by the use of a model solving the transport the involved high energy particles. In this thesis, we firstly make a synthesis of the main work that has been done concerning observations and modeling associated with TGF, since their discovery, around 20 years ago, until today. Secondly, we present and validate the MC-PEPTITA model for the transport of the involved energetic particles. It uses Monte-Carlo methods, the EPDL and EEDL cross-section sets, and the methods of simulation of the interactions are similar to what is presented for the PENELOPE code. Moreover, exterior models for the atmosphere (NRLMSISE-00) and the magnetic field of the Earth (IGRF-11) are also integrated. The collision model of MC-PEPTITA is then validated by comparison with the reference code GEANT4 from the CERN. Furthermore, its ability to reproduce precisely some real lightcurves observed by the Fermi space telescope helps to strengthen even more its validation. Once the model is built and validated, we present and decompose in detail the simulation of a typical TGF event, in order to bring out all its complexity. Finally, we conduct direct comparisons between the model and the data measured by the Fermi space telescope to establish or verify important properties concerning the TGF and the associated beams of electrons and positrons.

La compréhension des mécanismes d'émission et de variabilité au coeur des blazars émetteurs au TeV reste une question ouverte au sein de la communauté de l'astrophysique des hautes énergies. Le rayonnement extrême de ces objets permet de sonder les régions les plus proches du trou noir afin de poser des contraintes sur les mécanismes d'accélération des particules émissives. Nous considérons ici une distribution en énergie de ces particules sous la forme d'une quasi-maxwellienne relativiste. Ce type de distribution est justifié dans le cadre de l'accélération stochastique de particules de type interaction ondes MHD/plasmas. Ce manuscrit décrit la mise en oeuvre de cette distribution particulière dans le cadre de deux approches de modélisation différentes, la première dite homogène où la zone d'émission est supposée sphérique et la seconde dite inhomogène décrit le rayonnement d'un jet stratifié, et ce dans le cadre du « two-flow model ». Dans le deux cas, afin de rendre compte du caractère transitoire des périodes d'éruption, l'approche est menée de manière dépendante du temps et le processus de création de paires par photo-annihilation joue un rôle primordial. Nous avons de plus pris en compte l'atténuation du signal gamma par les photons du fond cosmique infrarouge lors de leur parcours vers l'observateur. Nous nous sommes de plus attaché à poser des contraintes sur la dynamique d'ensemble des jets à partir d'arguments statistiques simples ; nous avons mis en évidence pourquoi les modèles homogènes en général, ne sont pas appropriés pour la déduction des vitesses d'ensemble de ces sources bien qu'ils reproduisent remarquablement leurs caractéristiques spectrales.

Un des objectifs principaux de l'expérience PHENIX est l'étude de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes de température et de densité d'énergie. Dans les collisions ultra-relativistes Au+Au à 200 GeV par paires de nucléon, il serait possible de former un état de la matière pour lequel les quarks et les gluons ne seraient plus liés au sein des nucléons mais pourraient évoluer de façon quasi-libre sur des distances plus grandes que la taille caractéristique de ces derniers. Cet état est dénommé le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP). L'étude de la production du J/psi, particule lourde formée d'une paire de quarks charme (c et c_bar), est une des sondes initialement proposée pour étudier le QGP. Une suppression de la production du $\jpsi$ était en effet attendue en présence d'un QGP, en raison de l'écrantage du potentiel de liaison entre les quarks charme le constituant par la présence du milieu dense coloré environnant. De nombreuses mesures du $\jpsi$ ont eu lieu depuis au SPS (CERN) et à RHIC (BNL). Elles ont permis de mettre en évidence non seulement l'existence d'une telle suppression, mais également la présence de mécanismes supplémentaires, rendant plus difficile l'interprétation des résultats correspondants. L'expérience PHENIX est la seule des quatre expériences de RHIC capable de mesurer le J\psi à rapidité positive via sa désintégration en deux muons. En 2007 des collisions Au+Au à une énergie par paire de nucléons dans le centre de masse \sqrt{s_{NN}}=200 GeV ont été réalisées à BNL, ce qui a permis d'augmenter d'un facteur quatre la statistique disponible pour l'étude du $\jpsi$ par rapport aux résultats publiés précédemment. Cette augmentation, ajoutée à la mise en oeuvre de nouveaux détecteurs dans PHENIX, a permis de préciser les mesures précédentes, et de mesurer des observables jusqu'alors inaccessibles telles que l'asymétrie azimutale de la production du J\psi, une grandeur qui devrait permettre de distinguer certains des mécanismes de cette production. Ce manuscrit présente la compréhension actuelle de la production de quarkonia et l'utilisation de cette sonde dans l'étude du QGP. En particulier, la mesure du flot elliptique peut contraindre notre connaissance du milieu formé. L'analyse conduisant à la première mesure de l'anisotropie azimutale du $\jpsi$ à rapidité positive dans les collisions Au+Au à 200~GeV par paire de nucléons est détaillée. Cette mesure devrait permettre de préciser le mécanisme de production du méson, en particulier en ce qui concerne la part de recombinaison des quarks $c$ en $\jpsi$.

Dans ce mémoire, nous présentons des calculs d'énergie de transition <br />dans les ions lithiumoïdes et les atomes exotiques : 1) Les nouvelles <br />sources rendent possible la fabrication d'ions lourds fortement <br />chargés. Nous nous sommes intéressés à l'étude de la structure <br />hyperfine des ions lithiumoïdes. Cela nous permet d'examiner les <br />problèmes relativistes à plusieurs corps et la partie magnétique des <br />corrections d'Electrodynamique Quantique (QED). Dans les ions lourds, <br />ces dernières sont de l'ordre de quelques pour-cents par rapport à <br />l'énergie totale de la transition hyperfine. Nous avons également <br />évalué l'effet de Bohr-Weisskopf lié à la distribution du moment <br />magnétique dans le noyau. Nous avons calculé puis comparé ces <br />différentes contributions en incluant les corrections radiatives <br />(polarisation du vide et self-énergie) ainsi que l'influence du <br />continuum négatif. 2) Un atome exotique est un atome dans lequel un <br />électron du cortège est remplacé par une particule de même charge : <br />$\mu^(-)$, $\pi^(-)$, $\bar(p)$\ldots Des expériences récentes ont <br />permis de gagner trois ordres de grandeur en précision et en <br />résolution. Nous avons voulu améliorer la précision des calculs <br />d'énergies de transitions nécessaires à la calibration et à <br />l'interprétation dans deux cas : la mesure de paramètres de <br />l'interaction forte dans l'hydrogène anti-protonique ($\bar(p)$H) et <br />la détermination de la masse du pion grâce à l'azote pionique <br />($\pi$N). Nos calculs prennent en compte la structure hyperfine et le <br />volume de la distribution de charge de la particule. Nous avons <br />amélioré le calcul de la polarisation du vide qui ne peut plus être <br />traitée au premier ordre de la théorie des perturbations dans le cas <br />des atomes exotiques. Pour les atomes anti-protoniques, nous avons <br />également ajouté la correction du g-2. Elle provient du caractère <br />composite de l'anti-proton qui de ce fait possède un rapport <br />gyromagnétique g $\approx$ -5.5856 .

Parmi les signatures proposées pour l'observation du plasma de quarks et de gluons (PQG), l'une des plus prometteuses est la suppression des résonances quark-antiquark de saveurs lourdes par effet d'écran de couleur. Les premières mesures auprès du SPS du CERN ont montré une "suppression anormale" de la production du J/psi (résonance ccbar) dans les collisions centrales. La mesure de cette production dans différents systèmes et à différentes énergies de collisions pourrait permettre de conclure quant à la formation du PQG. Cette recherche se poursuit maintenant auprès de l'accélérateur RHIC, dont l'énergie dans le centre de masse est dix fois supérieure à celle obtenue au SPS.Le travail exposé dans cette thèse porte sur l'étude de la production du J/psi mesuré via son mode de déintégration e! n paires de muons, par l'expéience PHENIX dans les collisions Au-Au à 200 GeV par paire de nucléons. L'étude de la production du J/psi en fonction de la centralité des collisions montre une suppression d'un facteur 3 dans les collisions les plus centrales par rapport à la simple proportionalité avec le nombre de collisions binaires nucléon-nucléon.Pour comparer les résultats obtenus dans les collisions or-or à ceux des collisions proton-proton, les "effets nucléaires froids" doivent être pris en compte. Ils ne suffisent pas à expliquer la suppression observée, suggèrant l'existence de mécanismes supplémentaires. Les modèles qui prennent en compte la recombinaison du J/psi semblent mieux reproduire cette suppression. Néanmoins, l'ensemble de ces résultats est compatible avec le scénario selon lequel seules les résonances chi_c et psi' subissent l'écrantage de couleur.

Les collisions d'ions lourds relativistes permettent d'étudier la production du plasma de quarks et de gluons (QGP), état dans lequel serait la matière hadronique au-delà d'une température de l'ordre de 200~MeV. Le $J/\psi$, état lié~$c\bar{c}$, est une des sondes utilisées pour observer le QGP. Son taux de production peut être modifié par divers effets en compétition: les effets nucléaires froids et ceux attendus en cas de production du QGP. Une suppression anormale du $J/\psi$ (au-delà des effets froids) a déjà été vue par l'expérience NA50 (SPS) dans les collisions Pb~+~Pb les plus centrales. L'expérience PHENIX (RHIC) poursuit cette étude à une énergie environ dix fois plus élevée. Nous avons étudié la production du $J/\psi\to\mu^+\mu^-$ dans les collisions Cu~+~Cu effectuées en 2005 à une énergie de 200~GeV par paire de nucléons. Les résultats obtenus apportent des informations importantes sur les effets froids: ils permettent d'améliorer de manière significative la précision obtenue dans les collisions à petit nombre de nucléons participants, où le QGP ne peut être produit. Ils confirment la similitude des suppressions déjà observées au RHIC dans les collisions Au~+~Au et au SPS; ce constat restant à corroborer par des mesures plus précises des effets froids au RHIC. Les résultats combinés Au~+~Au et Cu~+~Cu mettent aujourd'hui en défaut la plupart des modèles théoriques, et pourraient favoriser l'hypothèse d'une production ! secondaire du $J/\psi$ dans le milieu (recombinaison).

Quatre sources de rayons gamma ont été associées à des systèmes binaires dans notre galaxie: le microquasar Cygnus X-3 et les binaires gamma LS I +61°303, LS 5039 et PSR B1259-63. Ces systèmes sont composés d'une étoile compagnon massive et d'un objet compact de nature inconnue, sauf dans PSR B1259-63 où un pulsar jeune a été détecté. Je propose ici un modèle théorique complet pour expliquer l'émission et la variabilité gamma de haute énergie dans les binaires émettant en gamma. Dans ce modèle, le rayonnement de haute énergie est produit par la diffusion Compton inverse des photons stellaires sur des paires électron-positron ultrarelativistes injectées par un pulsar jeune dans les binaires gamma et dans un jet relativiste dans les microquasars. La modulation du flux TeV dans LS 5039 est bien reproduite en combinant les effets d'émission, d'absorption et du recyclage de l'émission par une cascade de paires. Néanmoins, ce modèle ne permet pas d'expliquer l'émission gamma dans LS I +61°303 et PSR B1259-63. D'autres processus doivent dominer dans ces systèmes plus complexes. Dans Cygnus X-3, le rayonnement gamma peut être reproduit de manière convaincante avec l'émission Compton amplifiée Doppler de paires dans un jet relativiste. Les binaires gamma et les microquasars offrent un environnement nouveau permettant l'étude des vents de pulsar et des jets relativistes à de très petites échelles spatiales.

La théorie de la QCD (Quantum ChromoDynamics) prédit l’existence d’une nouvelle phase de la matière nucléaire à très haute température. Cette phase, caractérisée par un déconfinement des quarks au sein des hadrons, est appelée QGP (Quark Gluon Plasma). Le spectromètre à muons de l’expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) a pour but d’étudier les propriétés du QGP aux densités d’énergie extrêmes atteintes dans les collisions d’ions lourds au LHC (Large Hadron Collider). Le système de déclenchement du spectromètre à muons, appelé MUON TRG est, pour une large part, sous la responsabilité du groupe ALICE de Clermont-Ferrand. Il se compose de quatre plans de détecteurs RPC (Resistive Plate Chamber) d’une superficie totale de 140 m2, de 21k voies de lecture et d’une électronique de décision rapide. Il a été conçu afin de reconstruire ”en ligne” des traces (muons), dans un environnement présentant un important bruit de fond. Une décision de trigger, pour les ”single muons” et les ”dimuons”, est délivrée toutes les 25 ns (40 MHz) avec un temps de latence relatif à l’interaction proche de 800 ns. Les performances, en particulier celles liées à la décision de trigger, obtenues avec des outils de test dédiés, les évènements cosmiques, les premiers faisceaux d’injection dans le LHC ainsi que les premières collisions proton-proton à √s = 900 GeV seront présentés. / The QCD theory (Quantum ChromoDynamics) predicts the presence of a new phase of the nuclear matter at very high temperature. This phase, characterized by a deconfinement of quarks within hadrons, is called QGP (Quark Gluon Plasma). The muon spectrometer of the ALICE experiment (A Large Ion Collider Experiment) aims at investigating the propertiesof the QGP at the extreme energy density reached in heavy ion collisions at LHC (Large Hadron Collider). The trigger system of the Muon Spectrometer, called MUON TRG mainly come under the responsability of the Clermont-Ferrand ALICE team. It consists of four planes of RPC (Resistive Plate Chamber) detectors with a total area of 140 m2 , 21k front-end channels and fast-decision electronics. It is designed to reconstruct (muon) tracks online, in a large background environment. A fast trigger decision, for both single-muons and dimuons, is delivered each 25 ns (40 MHz) with a latency with respect to the interaction of about 800 ns. The performances, especially the ones related to trigger decision, obtained with dedicated test tools, cosmic rays, first LHC injection beams and first proton-proton collisions at √s = 900 GeV will be presented.

Cette thèse se compose de deux parties. Une première partie est dédiée à l'étude de phénomènes de diffusions dans des géométries non triviales. Je présente tout d'abord un travail sur les effets des irrégularités de la géométrie d'une surface sur un mouvement brownien galiléen évoluant sur cette surface. Ce problème est susceptible d'applications en biologie, notamment dans la modélisation des phénomènes de diffusions latérales sur des interfaces. J'expose ensuite des travaux réalisés sur des processus stochastiques relativistes. J'introduis d'une part des modèles simples de diffusion dans un univers en expansionet présente des relations de fluctuation-dissipation vérifiées par ces modèles. J'expose d'autre part une approche unifiée des différents processus stochastiques relativistes existant dans la littérature, à savoir, le ROUP, le processus de Franchi-Le~Jan et le processus de Dunkel-Hänggi. Dans une seconde partie, je présente deux applications de la récente théorie champ moyen de la relativité générale. La théorie a été appliquée à un trou noir de Schwarzschild et à un trou noir de Reisner-Nordström extrême. Les caractéristiques de l'espace-temps moyen obtenu dans chacun de ces deux cas sont présentées. Les résultats sont mis en relation avec des observations de trous noirs astrophysiques et avec des observations cosmologiques. Les effets de la moyennisation sur les propriétés thermodynamiques de ces trous noirs sont également étudiés.