Thesis (doctoral)--Rijksuniversiteit Groningen, 1997. / Includes bibliographical references.

This thesis is devoted to the study of the nature of Dark Matter (DM). To this end we investigate both its generation mechanisms and detection possibilities. We mainly focus on interesting simple models and follow closely experimental constraints, in order to reveal the features of DM as model-independently as possible.<p><p><p><p><p>Throughout the whole thesis, we consider the framework of standard cosmology, which is first introduced in Chapter.1 (and supplemented in Appendices). Background knowledges of DM physics from the cosmological and experimental aspects are given in Chapter.2 and Chapter.3, respectively. <p><p><p>Following the scenario that a hidden sector, including DM particles, might decouple from the Standard Model (SM) sector at a very early time of the Universe, we study how through a portal interaction such a hidden sector can be created by the SM sector to yield the proper relic density of dark matter. In Chapter.4 we discuss the case of a massless portal using the gauge kinetic mixing model. It turns out that there are four basic ways to achieve the observed DM relic density for both massless and massive mediator cases: freeze-in from SM sector, reannihilation determined by the balance of the two sectors, freeze-out with hidden or portal interactions. Various models with massive portals, especially $Z'$ and scalar portals, are then explored in Chapter.5. Provided that DM annihilation within the hidden sector is kinetically allowed, similar conclusions would appear. If there is no hidden annihilation for DM, only the first and last ways are allowed. Nevertheless, chemical thermalization in hidden sector can still influence the results significantly.<p><p>In Chapter.6, we explore the hypothesis that dark matter particles partially annihilate to photons via a new heavy charged particle which is also "gauged" under SU(3)_C. By applying this hypothesis to the claimed<p>Fermi-LAT 130 GeV gamma line, it is showed that the correct dark matter relic density could be naturally obtained from the gluon channel and how for such a class of models the cosmic antiproton, diffuse gamma-ray, direct detection and LHC constraints<p>are fully correlated. <p><p><p>In Chapter.8, concluding remarks and perspectives for future DM research are presented. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Longtemps considérées comme néfastes, les contraintes sont devenues un des moyens principaux pour améliorer les performances des dispositifs métal-oxyde-semiconducteur (MOS). En effet, les déformations générées augmentent sensiblement la mobilité des porteurs dans le silicium. C'est dans ce cadre que j'ai étudié, par holographie électronique en champ sombre (DFEH), les déformations cristallines engendrées par certaines étapes clés du procédé de fabrication de transistors planaires de dernière génération, totalement déplétés car réalisés sur des substrats silicium sur isolant (FD-SOI). La DFEH est une technique de microscopie électronique en transmission (TEM), récemment inventée au CEMES, qui permet de cartographier les déformations cristallines avec une résolution spatiale nanométrique et une précision de 10-4 sur des champs de vue micrométriques. J'ai mis au point et utilisé des modélisations par éléments finis afin de comprendre puis reproduire mes résultats expérimentaux et ainsi identifier les phénomènes mécaniques mis en jeu au cours de différentes étapes. Après avoir prouvé que la DFEH est adaptée à la mesure des champs de déformation dans les structures MOS FDSOI (couche superficielle de Si désorientée vis-à-vis du substrat de référence), je me suis intéressé au procédé de conversion de films minces de Si en SiGe, par la méthode dite de "condensation de germanium". J'ai montré que cette technique permet d'obtenir des films minces de type SiGe (SGOI) pseudomorphes, de composition variable. Les déformations hors plan mesurées par DFEH mettent en évidence les deux mécanismes affectant la redistribution du Ge (diffusion et injection), dont l'importance relative dépend de la température à laquelle s'effectue le procédé. De plus, j'ai montré que ces films minces SGOI, initialement contraints, se relaxaient très fortement lors de leur gravure en vue de la fabrication de substrats co-intégrés SOI/SGOI. J'ai pu identifier que cet effet, initialement observé à partir de mesures électriques et connu sous le nom d'effet "SA/SB", ne pouvait être dû qu'à des caractéristiques mécaniques dégradées de l'interface SiGe/SiO2. Je me suis ensuite intéressé à certaines des étapes clés de la fabrication du transistor suspectées de modifier l'état de déformation de la structure, telles que la fabrication de l'empilement de grille et des sources/drains ainsi que de la siliciuration nécessaire à la prise des contacts. J'ai pu expliquer en quoi et pourquoi ces étapes impactaient l'état final de déformation du canal du transistor et donc ses performances. Par ailleurs, je montre comment et dans quelles limites la DFEH peut être utilisée pour mesurer des concentrations de dopants, en conservant une résolution nanométrique. J'ai particulièrement étudié le cas (favorable) du bore dans le silicium et, après couplage à des mesures électriques, j'ai ainsi pu calculer le coefficient reliant les déformations mesurées aux concentrations de bore en substitution. Finalement, j'ai comparé et discuté des différences entre informations fournies par DFEH et par diffraction de rayons X haute résolution. Une annexe complète ce travail et discute des conditions optiques et d'utilisation optimales des sources à émission de champ Schottky équipant un TEM, notamment de la contribution des lobes d'émission latérale sur le degré de cohérence de la sonde. / After being considered harmful for a long time, stress became one of the principal means to improve metal-oxide-semiconductor (MOS) device performance. Indeed, the generated strains significantly increase carrier mobility in silicon. Within this context, I used dark-field electron holography (DFEH) to study the crystalline strains generated by some key steps of the manufacturing process of latest generation of planar transistors, fully depleted as produced on silicon on insulator substrates (FD-SOI). DFEH is a transmission electron microscopy (TEM) technique, recently invented at CEMES, which allows crystalline strain to be mapped with nanometric resolution and an accuracy of 10-4 over micrometric fields of view. I developed and used finite element models in order to understand, then reproduce, my experimental results and thus identify the mechanical phenomena involved during different processing steps. After proving that DFEH is suitable for strain fields mapping in FDSOI MOS structures (Si surface layer disorientated in respect of the reference substrate), I have been interested in the conversion process of thin Si films into SiGe, by a method known as "germanium condensation". I showed that this technique enables pseudomorphous thin SiGe films (SGOI) of variable composition to be obtained. The out-of-plane strain measured by DFEH emphasises the two mechanisms affecting the Ge redistribution (diffusion and injection), whose relative importance depends on the temperature of the process. Moreover, I showed that these thin SGOI films, initially stressed, relax strongly during the etching carried out to manufacture co-integrated SOI/SGOI substrates. I could identify that this effect, initially observed by electrical measurements and known as "SA/SB" effect, can only be explained by a degradation of the mechanical characteristics of the SiGe/SiO2 interface. I have also been interested in some of the key steps of the transistor manufacturing suspected to modify the structural strain state, such as the grid stack and sources/drains processes, as well as salicidation necessary to form the contacts. I was able to explain how and why these steps impact the final strain state of the transistor channel and thus its performance. In a separate development, I have shown how DFEH can be used to measure doping concentrations while preserving a nanometric resolution, and discuss its limits. I studied in particular the (favourable) case of boron doping in silicon and, after electrical measurements coupling, I calculated the coefficient connecting the measured strains to the boron substitution concentrations. Finally, I compared and discussed the differences between information obtained by DFEH and high resolution X-ray diffraction. An appendix completes this work and discusses the optical and optimal use conditions of Schottky field emission sources equipping a TEM, in particular the contribution of side-emission lobes on the degree of coherence of the probe.

A ce jour, le contexte énergétique mondial est dominé par une utilisation massive des énergies fossiles non-renouvelables et épuisables par nature. La production de biohydrogène de 2ème génération issu de déchets organiques par le procédé de fermentation sombre constitue donc une solution attractive pour diversifier le mix énergétique actuel. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de la qualité du mélange sur l’efficacité de la voie fermentaire sombre. En effet, les conditions d’agitation mécanique (type d’agitateur, vitesse d’agitation) et la viscosité du digestat (fonction des intrants en cours de culture), comptent parmi les paramètres abiotiques les moins étudiés à ce jour dans ce procédé. Or, l’agitation joue un rôle clé puisqu’elle doit permettre non seulement d’homogénéiser la phase liquide riche en bactéries, en substrats organiques, en métabolites et en biogaz soluble, mais aussi de favoriser les échanges de matière liquide-bactéries et liquide-gaz. Cependant, pour atteindre la qualité de mélange requise, il faut faire face à deux contraintes : d’une part il faut maintenir un niveau acceptable de stress mécanique pour les bactéries du consortium ; d’autre part, la puissance mécanique consommée par l’agitation doit rester limitée pour assurer la viabilité économique du procédé. Dans ce travail, les effets combinés de la viscosité du digestat et de la vitesse d’agitation des mobiles sur la production de biohydrogène dans un bioréacteur ont été étudiés dans un premier temps. Les résultats ont montré une influence significative de ces deux facteurs sur la productivité en biohydrogène qui a pu être reliée au nombre adimensionnel de Reynolds et au régime d’écoulement du digestat. Un maximum de productivité a été observé lors de la transition laminaire-turbulent. Dans un deuxième temps, des méthodes de détermination du temps de mélange (conductimétrie, décoloration chimique, Fluorescence Induite par Nappe Laser) et du transfert de matière liquide-gaz (désoxygénation/oxygénation) ont été mises en oeuvre dans les mêmes conditions de viscosité et d’agitation afin de rechercher les étapes limitantes pouvant expliquer les évolutions observées lors des essais de fermentation. Les résultats ont montré que transfert interfacial et mélange ne sont limitants qu’en régime laminaire, alors que les faibles productivités en régime turbulent résultent vraisemblablement d’une interaction entre la turbulence et les agrégats bactériens. Ensuite, l’écoulement dans le bioréacteur a été modélisé par une approche de type Mécanique des Fluides Numérique (CFD) et analysé par une méthode de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) afin de déterminer les échelles spatiales locales de la turbulence et de pouvoir les comparer à la dimension caractéristique des agrégats bactériens. Les mesures locales confirment les hypothèses émises à partir des valeurs moyennes observées. Finalement, un modèle de type ADM1 (Anaerobic Digestion Model N°1) standard a été modifié en prenant en compte les ions lactate et un modèle hydrodynamique de type « cascade de cellules » dans le but de simuler la production de biohydrogène en systèmes batch et continu. Les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux dans les deux modes de culture en supposant un réacteur parfaitement mélangé. En conclusion, l’ensemble de ce travail confirme que la viscosité du digestat et les conditions de mélange sont effectivement des paramètres essentiels à prendre en compte pour l’optimisation et l’extrapolation du procédé de fermentation sombre. / The global energy trends are currently dominated by a massive use of fossil non-renewable energy sources which are progressively depleting. In this way, the production of second-generation biohydrogen production from organic wastes by the dark fermentation process offers, therefore, an attractive solution to diversify the present energy mix. Within this framework, the aim of this work is to investigate the effect of the efficiency of the mixing process on dark fermentation. The conditions of mechanical agitation (mixer type, mixing speed) and the viscosity of the digestate (which depends on the variability of influent substrate concentration) are, indeed, among the abiotic factors that have been the most disregards up to now in this bioprocess. For example, mixing plays a key role because agitation conditions must ensure on the one hand the homogenization of the liquid phase enriched in bacteria, in organic substrate, in soluble metabolites, and in soluble biogas, and in the other hand promote liquid-to-bacteria and liquid-to-gas mass transfer. However, to reach the desired degree of mixing, two constraints must be faced: firstly, an acceptable level of mechanical stress must be maintained on the microbial consortium, and secondly, mechanical power input due to mixing must comply with the economic sustainability of the process. In this work, the combined effects of digestate viscosity and agitation conditions on the fermentative biohydrogen production in the bioreactor were studied first. Experimental results highlighted a significant effect of these factors on biohydrogen productivity which could be expressed as function of the purely hydrodynamic dimensionless Reynolds number and of the prevailing flow regime. Hydrogen production was maximized in the transition region between laminar and turbulent flow conditions. Secondly, experimental measuring methods of mixing time (conductimetric, chemical decolorization and Planar Laser Induced Fluorescence techniques) and mass transfer (dynamic deaeration/aeration) were implemented in the same conditions of viscosity and agitation conditions so as to investigate the possible limiting steps that could explain the trends observed in the mixed cultures. The results proved that mixing and liquid-gas transfer was slower than hydrogen production rate only in the laminar flow regime, while low production rate under turbulent flow conditions might stem from an interaction between turbulent eddies and bacterial aggregates. Then, the flow field in the bioreactor was simulated using a CFD (Computational Fluid Dynamics) methodology and analyzed experimentally using PIV (Particle Image Velocimetry) to determine the characteristic turbulent length scales and to compare them to the characteristic size of the bacterial aggregates. Local measurements confirmed the assumptions made from average values derived from power input data. Finally, a modified ADM1 model (Anaerobic Digestion Model N°1) was developed to simulate the biohydrogen production, accounting for lactate ions and non-ideal mixing, under batch and continuous culture conditions. Simulations fairly agree with experimental data in both modes of cultures assuming perfect mixing condition. As a conclusion, the present work as a whole confirms that digestate viscosity and mixing conditions constitute key parameters that must be considered for process optimization and for the scale-up of dark fermentation.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC. / A large number of cosmological and astrophysical measurements supports the fact that our galaxy should be immersed in a halo of non-baryonic dark matter. Directional detection aims at measuring the direction of recoiling nucleus following an elastic scattering with a Dark Matter particle. This should allow us to show the expected strong angular dependence of the recoil distribution due to the rotation of the Solar System around the galactic center. This thesis presents a comprehensive study of directional detection following three different aspects: phenomenology, experimental and data analysis. The goal of the phenomenological studies is to explore the interest of directional detection in terms of galactic dark matter search. With the use of dedicated statistical tools we show that a detector, as the one proposed by the MIMAC collaboration, should be able to discover dark matter with a high significance down to cross sections 2 to 3 orders of magnitude below current limits. Setting up a new strategy of data analysis is a second goal of this thesis as an efficient 3D track reconstruction is compulsory to achieve an accurate directional detection of dark matter. We present a new method based on a likelihood approach aiming at the optimisation of the estimation of the parameters of each measured track: position in the detector volume and direction. In the context of reducing the electronic background, we present a method based on the analysis of the track topology using a boosted decision tree algorithm which enhances the rejection power by a factor 20 with respect to a sequential analysis. In the context of experimental measurement, we present a new method dedicated to the measurement of the electron drift velocity with uncertainties of the order of the percent and constraining the longitudinal diffusion coefficients. Eventually, we discuss the results of a data analysis obtained during an acquisition using a neutron field which validate the detection strategy of the MIMAC experiment.

L'énergie sombre est l'un des grands mystères de la cosmologie moderne, responsable de l'actuelle accélération de l'expansion de notre Univers. Son étude est un des axes principaux de ma thèse : une des voies que j'exploite s'appuie sur la structuration de l'Univers à grande échelle à travers un effet observationnel appelé effet Sachs-Wolfe intégré (iSW). Cet effet est théoriquement détectable dans le fond diffus cosmologique (FDC) : avant de nous parvenir cette lumière traverse un grand nombre grandes structures sous-tendues par des potentiels gravitationnels. L'accélération de l'expansion étire et aplatit ces potentiels pendant le passage des photons du FDC, modifiant leur énergie d'une façon dépendante des caractéristiques de l'énergie sombre. L'effet iSW n'a qu'un effet ténu sur le FDC, obligeant l'utilisation de données externes pour le détecter. Une approche classique consiste à corréler le FDC avec un traceur de la distribution de la matière, et donc des potentiels sous-jacents. Maintes fois tentée avec des relevés de galaxies, cette corrélation n'a pas donné à l'heure actuelle de résultat définitif sur la détection de l'effet iSW, la faute à des relevés pas assez profonds et/ou avec une couverture trop faible. Un partie de ma thèse est dédiée à la corrélation du FDC avec un autre fond "diffus" : le fond diffus infrarouge (FDI), qui est constitué de l'émission intégrée des galaxies lointaines non-résolues. J'ai pu montrer qu'il représente un excellent traceur, exempt des défauts des relevés actuels. Les niveaux de signifiance attendus pour la corrélation CIB-CMB excèdent ceux des relevés actuels, et rivalisent avec ceux prédits pour la futur génération de très grands relevés. Dans la suite, ma thèse a porté sur l'empreinte individuelle sur le FDC des plus grandes structures par effet iSW. Mon travail sur le sujet a d'abord consisté à revisiter une étude précédente d'empilement de vignettes de FDC à la position de structures, avec mes propres protocole de mesure et tests statistiques pour vérifier la signifiance de ces résultats, délicate à évaluer et sujette à de possibles biais de sélection. J'ai poursuivi en appliquant cette même méthode de détection à d'autres catalogues de structures disponibles, beaucoup plus conséquents et supposément plus raffinés dans leur algorithme de détection. Les résultats pour un d'eux suggère la présence d'un signal à des échelles et amplitudes compatible avec la théorie, mais à des niveaux modérés de signifiance. Ces résultats empilements font s'interroger concernant le signal attendu : cela m'a amené à travailler sur une prédiction théorique de l'iSW engendré par des structures, par des simulations basées sur la métrique de Lemaître-Tolman-Bondi. Cela m'a permis de prédire l'effet iSW théorique exact de structures existantes : l'amplitude centrale des signaux mesurés est compatible avec la théorie, mais présente des caractéristiques non-reproductibles par ces mêmes prédictions. Une extension aux catalogues étendus permettra de vérifier la signifiance de leurs signaux et leur compatibilité avec la théorie. Un dernier pan de ma thèse porte sur une époque de l'histoire de l'Univers appelée réionisation : son passage d'un état neutre à ionisé par l'arrivée des premières étoiles et autres sources ionisantes. Cette période a une influence importante sur le FDC et ses propriétés statistiques, en particulier sur son spectre de puissance des fluctuations de polarisation. Dans mon cas, je me suis penché sur l'utilisation des mesures de températures du milieu intergalactique, afin d'étudier la contribution possible de la désintégration et annihilation de l'hypothétique matière sombre. A partir d'un travail théorique sur plusieurs modèles et leur comparaison aux observations de température, j'ai pu extraire des contraintes intéressantes et inédites sur les paramètres cruciaux de la matière sombre et des caractéristiques cruciales de la réionisation elle-même. / The dark energy is one of the great mysteries of modern cosmology, responsible for the current acceleration of the expansion of our Universe. Its study is a major focus of my thesis : the way I choose to do so is based on the large-scale structure of the Universe, through a probe called the integrated Sachs-Wolfe effect (iSW). This effect is theoretically detectable in the cosmic microwave background (CMB) : before reaching us this light travelled through large structures underlain by gravitational potentials. The acceleration of the expansion stretches and flattens these potentials during the crossing of photons, changing their energy, in a way that depend on the properties of the dark energy. The iSW effect only has a weak effect on the CMB requiring the use of external data to be detectable. A conventional approach is to correlate the CMB with a tracer of the distribution of matter, and therefore the underlying potentials. This has been attempted numerous times with galaxies surveys but the measured correlation has yet to give a definitive result on the detection of the iSW effect. This is mainly due to the shortcomings of current surveys that are not deep enough and/or have a too low sky coverage. A part of my thesis is devoted to the correlation of FDC with another diffuse background, namely the cosmological infrared background (CIB), which is composed of the integrated emission of the non-resolved distant galaxies. I was able to show that it is an excellent tracer, free from the shortcomings of current surveys. The levels of significance for the expected correlation CIB-CMB exceed those of current surveys, and compete with those predicted for the future generation of very large surveys. In the following, my thesis was focused on the individual imprint in the CMB of the largest structures by iSW effect. My work on the subject first involved revisiting a past study of stacking CMB patches at structures location, using my own protocol, completed and associated with a variety of statistical tests to check the significance of these results. This point proved to be particularly difficult to assess and subject to possible selection bias. I extended the use of this detection method to other available catalogues of structures, more consequent and supposedly more sophisticated in their detection algorithms. The results from one of them suggests the presence of a signal at scales and amplitude consistent with the theory, but with moderate significance. The stacking results raise questions regarding the expected signal : this led me to work on a theoretical prediction of the iSW effect produced by structures, through simulations based on the Lemaître-Tolman-Bondi metric. This allowed me to predict the exact theoretical iSW effect of existing structures. The central amplitude of the measured signals is consistent with the theory, but shows features non-reproducible by my predictions. An extension to the additional catalogues will verify the significance of their signals and their compatibility with the theory. Another part of my thesis focuses on a distant time in the history of the Universe, called reionisation : the transition from a neutral universe to a fully ionised one under the action of the first stars and other ionising sources. This period has a significant influence on the CMB and its statistical properties, in particular the power spectrum of its polarisation fluctuations. In my case, I focused on the use of temperature measurements of the intergalactic medium during the reionisation in order to investigate the possible contribution of the disintegration and annihilation of the hypothetical dark matter. Starting from a theoretical work based on several models of dark matter, I computed and compared predictions to actual measures of the IGM temperature, which allowed me to extract new and interesting constraints on the critical parameters of the dark matter and crucial features of the reionisation itself

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE. / Experimental measurements show that only 4\% of the mass-energy density of the universe is made of atomic matter. Dark matter and dark energy are responsible for 24\% and 71\% of the mass-energy density. The theory of supersymmetry predicts a new set of particles. The neutralino, which is the lightest stable particle, is one of the favorite candidates for dark matter. The Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects (PICASSO) seeks dark matter using superheated droplets detectors (SDD). A phase transition occurs when a particle interact with a C$_4$F$_{10}$ droplet and deposits enough energy within a certain critical radius. An acoustic wave is created during this phase transition and piezoelectric sensors transform this acoustic signal into an electrical signal. This signal is then amplified, digitised and recorded for further analysis. In this work is presented a study on superheated droplets detectors aiming in particular at an improvement of the alpha background discrimination. The data acquisition system has been tested in order to check the coupling between the piezoelectric sensors and the acrylic wall of the detector, the efficiency of the amplifier gain of the piezoelectric sensors and the effect of the gain on the quality of the signal. The SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) experiment stated that they could obtain a 97\% discrimination of the alpha background using superheated droplets detectors and electric microphones. This work concludes that PICASSO detectors are not sensitive to this effect. Finally, a small droplet detector has been studied and it has been concluded that a small droplets site does not improve the alpha background discrimination.

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates. / Biological hydrogen (H2) production represents a possible technology for the large scale sustainable production of H2 needed for a future hydrogen economy. However, the major obstacle to developing a practical process has been the low yields that are obtained, typically around 25%, well below those achievable for the production of other biofuels from the same feedstock. The goal of this thesis was to improve H2 production through physiological manipulation and metabolic engineering. One investigated hypothesis was that H2 production could be improved and made more economical by using a microaerobic dark fermentation process since this could provide the extra reducing power required for driving substrate conversion to completion and hence more H2 production might be obtained without using light energy. The optimal O2 concentrations for microaerobic H2 production were examined as well as the impact of carbon and nitrogen sources on the process. The research reported here proved the capability of Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (an uptake-hydrogenase deficient mutant) to produce H2 under microaerobic dark conditions with limiting amounts of O2 and fixed nitrogen. Further work should be undertaken to increase H2 yields using this technology. In addition, a photofermentation process was established to improve H2 yield from glucose using R. capsulatus JP91 hup- strain either in batch and/or continuous culture conditions. Some technical challenges in establishing the proper operational conditions for increased H2 yield were overcome. A maximum yield of 3.3 mols of H2/ mol of glucose was found for batch cultures whereas in continous cultures it was 10.3 mols H2/ mol glucose, much higher than previously reported and close to the theoretical maximum value of 12 mols H2/ mol glucose. In batch cultures the maximum light conversion efficiency was 0.7% whereas it was 1.34% in continuous cultures with a maximum conversion efficiency of the heating value of glucose of 91.14%. Various approaches to further increasing yields in photofermentation processes are proposed. The overall results suggest that an efficient single stage photofermentative H2 production process from glucose using continuous cultures in photobioreactors could be developed which would be a much more promising alternative process to the previously studied two stage photofermentation or co-culture approaches. Furthermore, the heterologous expression of hydrogenases was used as a metabolic engineering strategy to improve fermentative H2 production. The capability of expressing a hydrogenase from one species with the maturation genes from another was examined. One strategy demonstrated that the orphan hydA of R. rubrum is functional and active when co-expressed in E. coli with hydE, hydF and hydG from different organisms. Co-expression of the [FeFe]-hydrogenase structural and maturation genes in microorganisms that lack a native [FeFe]-hydrogenase can successfully result in the assembly and biosynthesis of active hydrogenases. However, other factors may be required for significantly increased protein yields and hence the specific activity of the recombinant hydrogenases. Another strategy was to overexpress one of the highly active [FeFe]-hydrogenases in a suitable E. coli host strain. Expression of a hydrogenase that can directly interact with NADPH is desirable as this, rather than reduced ferredoxin, is naturally produced by its metabolism. However, the successful maturation of this type of hydrogenase in E. coli had not been previously reported. The Desulfovibrio fructosovorans hnd operon (hndA, B, C, and D genes), encoding a NADP-dependent [FeFe]-hydrogenase, was expressed in various E. coli strains with the maturation genes hydE, hydF and hydG of Clostridium acetobutylicum. Hydrogenase activities were detected in vitro, thus a multi-subunit NADP-dependent [FeFe]-active hydrogenase was successfully expressed and matured in E. coli for the first time. Future research could lead to the expression of this hydrogenase in E. coli host strains that overproduce NADPH, setting the stage for increased hydrogen yields via the pentose phosphate pathway.

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron. / The latest cosmological measurement showed the presence of a type of exotic matter constituing of 85% mass-energy of the universe. This type of non-baryonic matter would consist of neutral, non-relativistic, massives particules which are weakly interacting with normal matter. All the candidates are grouped under the generic name of WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles). The PICASSO project (Project In CAnada to Search for Supersymmtric Objects) is an experiment using superheated liquid C4F10 as target material. The detection principle is a variant of the bubble chamber technique and the experiment ins installed in the SNOLAB underground laboratory in Sudbury (Ontario). The goal of this project is to make a direct measurement of a dark matter particle. The detection principle is that a dark matter particule interacting with the active liquid produces a nuclear recoil of 19F. The energy deposition of the recoiling fluorine nucleus triggers a phase transition accompagnied by an acoustic signal recorded by piezoelectrics sensors. In this work, the simulation of the count rate of PICASSO detectors subjected to monoenergetic neutron beam was performed using the theory of Seitz which describes particle induced phase transitions in supherheated liquids. which describes the criteria for a phase transition to occur in a superheated liquid. In addition, a model calculating the acoustic signal emitted during a phase transition caused by different types of radiation has been developped which allowed the characterisation of the discrimination between different kind of background events as a function of threshold energy. Finally, an acoustic signal analysis tools, the localisation of events, was used to apply fiducial cuts to the detectors in order to improve the alpha-neutron discrimination.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.