Les trous noirs primordiaux sont une sonde exceptionnelle pour rechercher des effets de nouvelle physique, à l'intersection de la relativité générale, de la mécanique quantique, de la physique des particules et de la cosmologie. Ce mémoire présente quelques pistes d'études relatives à ces objets astrophysiques fascinants. D'abord, autour de leur recherche via l'étude des rayons cosmiques qui seraient émis par évaporation de Hawking. Des liens entre les limites obtenues et les modèles d'inflation sont ensuite proposés afin d'obtenir une borne supérieure très contraignante - et totalement inaccessible aux observables usuelles que sont le fond diffus et les grandes structures - sur la puissance aux petites échelles dans l'Univers primordial. La fin de l'évaporation des trous noirs est etudiée en gravité de corde et leur statut de candidat à la matière noire froide revisité dans le cadre des modèles à brisure d'invariance d'échelle. Enfin, dans le cadre des modèles à basse échelle de Planck (c'est-à-dire présentant de larges dimensions supplémentaires), la formation de trous noirs auprès des collisionneurs est envisagée. Nous montrons que des effets de gravité quantique (couplage de Gauss-Bonnet) pourraient être sondés au LHC. Quelques voies d'investigations futures, liées à la présence d'une constante cosmologique ou au rayonnement cosmique d'énergie extrême sont esquissées.

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

A l'aune d'une possible unification de la Mecanique Quantique et de la Relativite Generale, le processus d'evaporation des trous noirs est sans nul doute l'un des phenomenes privilegies pour avoir acces a des effets de gravite quantique. Apres une rapide presentation de la theorie de la gravitation d'Einstein et d'une possible extension sous forme de serie de Taylor en courbure scalaire, l'evaporation de Hawking est abordee en se focalisant sur le calcul des facteurs de corps gris, i.e. de la probabilite tunnel qu'une particule issue de la brisure des fluctuations du vide s'echappe definitivement de l'attraction gravitationnelle du trou noir. J'ai developpe une methode analytique semi-classique pour l'etude de la dynamique de champs scalaires se propageant en espace-temps statique et a symetrie spherique, ainsi qu'une methode numerique pour la determination exacte des facteurs de corps gris pour des champs de spin s=0, 1/2 et 1. Ces methodes ont ete appliquees au cas de trous noirs de Schwarzschild en theorie de Lovelock a l'ordre deux (theorie de Gauss-Bonnet) et avec dimensions supplementaires, pour ainsi aboutir a une evaluation exacte des spectres rayonnes, etape necessaire pour la verification des quatres principes de la thermodynamique des trous noirs. Dans le cadre des scenarii branaires de type Arkani-Hamed, Dimopoulos & Dvali (ADD), abaissant l'echelle de Planck a l'ordre du TeV et ouvrant ainsi la possibilite de production de trous noirs par collision de particules dans le cosmos ou aupres des futurs collisionneurs, les possibilites de contraindre le Lagrangien gravitationnel a l'aide du mecanisme d'evaporation des trous noirs ont ete abordees: les modeles ADD ne sont pas en contradiction avec les donnees cosmologiques et de rayonnement cosmique et il serait possible de distinguer la presence ou non d'un terme de Gauss-Bonnet dans le Lagrangien d'Einstein-Hilbert. La question des inhomogeneites primordiales aux petites echelles de longueur ainsi que celle de la matiere noire sont aussi abordees dans cette these, respectivement a la lumiere des trous noirs primordiaux et des theories a dimensions supplementaires.

Cette these a pour objet l'etude de la production d'antiproton dans l'atmosphere. Une parametrisation de la section efficace inclusive pour la production d'antiprotons dans les collisions p+p et p+A est presentee, basee sur les regles de comptage de quarks, la phenomenologie de Regge et l'ajustement aux donnees. Cette parametrisation est en accord avec les donnees experimentales pour une energie incidente du nucleon au moins jusqu'a 24 GeV/n dans le laboratoire. Selon l'analyse de la distribution de la multiplicite moyenne d'antiprotons, cette parametrisation peut etre etendue sa validite jusqu'au moins s^1/2 environ 25 GeV dans le centre de masse. Avec cette parametrisation, le modele des nucleons touches est applique pour obtenir la section efficace de production d'antiprotons lors d'une collision A+A. Le flux atmospherique d'antiprotons aux altitudes des ballons et des satellites est calcule en incluant les protons et heliums cosmiques. Les collisions generees par l'helium contribuent pour environ 30% au flux total d'antiprotons atmospherique. Pour l'etude de l'origine exotique d'antiprotons, par exemple l'annihilation de la matiere sombre supersymetrique (les neutralinos) et l'evaporation des trous noirs primordiaux, les energies incidentes des particules cosmiques jusqu'a E=200 GeV/n contribuent le plus magnifiquement a la production d'antiprotons atmospheriques. Il est montre que le flux atmospherique d'antiprotons utilise pour corriger le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est sous-estime dans certains travaux precedents. Dans ce travail, le flux d'antiprotons au dessus de l'atmosphere est donc diminue de 10-15% par rapport au resultat original dans le domaine d'energie E_k> 1 GeV. Une experience de mesure d'antiprotons au sol est proposee pour valider la justesse de la production d'antiprotons calcules par les differents groupes. Les resultats de l'experience BESS 1999 a l'altitude de 2.77 km ont confirme la justesse de ce travail. A l'altitude d'AMS, le flux d'antiprotons mesure par cette experience dans la region polaire est pratiquement exclusivement constitue d'antiprotons cosmiques, avec une composante de seulement 2-3% d'antiprotons atmospheriques. Il est observe que, meme a tres haute altitude, quelques milliers de kilometres par exemple, il existe encore un flux residuel d'antiprotons atmospheriques dont les trajectoires sont tres compliquees et ne peuvent pas etre bien expliquees au moyen des variables habituelles. Finalement, le flux atmospherique de protons dans l'atmosphere est calcule. La deviation entre les calculs et les donnees ainsi que les origines possibles de cette deviation sont discutees.