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Understanding the morphological and dynamical evolution of galaxies across cosmic time is one of the key goals of modern extragalactic astrophysics. Our current view is that galaxies are objects that evolve secularly and build their stellar mass through star formation which is sustained by cold gas accretion from the cosmic web. However, this picture is not sufficient to explain entirely their evolution. Environmental processes can also affect their morphology, kinematics, or gas content, as well as quench star formation, and can thus be driving mechanisms to explain the transition from high to low redshift. Thus, important recent efforts have been put into probing the effect of the environment on galaxies. In this endeavour, 3D spectroscopy can help because it provides spatially resolved properties across the galaxies' extent. MUSE is one of the most powerful 3D spectrographs thanks to its large field-of-view and high sensitivity when combined with adaptive optics. During this Thesis, I have used data from the deep MUSE-gAlaxy Groups In Cosmos survey (MAGIC) which targets galaxy groups/clusters in the COSMOS field, as well as foreground and background field galaxies. MAGIC is ideal to probe the impact of the environment at 0.2

Very high energy (VHE, E ≥ 100 GeV) astrophysics pioneered the study of non-thermal processes describing cosmic rays (CRs) accelerated by galactic and extragalctic objects. CRs can be investigated by observing the Galactic Center (GC), which hosts many VHE sources and emissions, like for instance the Fermi Bubbles (FBs) found by Fermi-LAT in the GeVs. VHE photons can be used to study the still mysterious Dark Matter (DM). Among the best DM particle candidates are the weakly interacting massive particles (WIMPs), which if massive enough can self-annihilate and emit TeV gamma-rays from dense regions of the Universe. The most promising target to search for DM is the GC. Other ones are DM subhalos, predicted in Milky-Way-like galaxies by cosmological simulations. The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an array of 5 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT), observes VHE photons between around 50 GeV and tens of TeV. It can observe the GC region thanks to its ideal position in the southern hemisphere. The future array of IACTs, the Cherenkov Telescope Array, will push the boundary of the sensitivity in the TeV energies. The first part of the thesis introduces fundamental concepts on VHE astrophysics, on H.E.S.S., the supposed nature of DM and the statistical methods used in this work. We describe the log-likelihood-test-statistics (LLRTS) and results from a novel Bayesian neural network framework on the spectral and spatial discrimination of a weak signal in the presence of a non-trivial dominating background. The second part of the thesis focuses on the GC region at VHE. The Inner Galaxy Survey (IGS), a 6-years H.E.S.S. observational dataset of the GC is described in detail. The study of the systematics affecting it and the ongoing effort to build background models from extra-galactic observations and run-wise simulations of the IGS are extensively presented. With the IGS, we search for the low-latitude FBs emission in the region of interest defined by the Fermi analysis. For the first time, the FBs are detected up to ~2 TeV and an integrated significance of 9.2σ. We show observed flux points and upper limits. At 1 TeV, the FBs are measured at ~1.2x10⁻⁹ TeVcm⁻²s⁻¹sr⁻¹. From a joint fit of the Fermi and H.E.S.S. analyses, we could obtain the energy cutoff on the photon spectrum, however more effort to include all the systematics is ongoing. The third part reports new results on DM search. Using the IGS dataset, we derive 95% C.L. observed and expected upper limits on the WIMPs annihilation cross-section (), with the LLRTS and for several annihilation channels. For the τ⁺ τ⁻ annihilation channel, our limits reach 1.2x10⁻²⁶ cm³s⁻¹ for a DM mass of 0.7 TeV, challenging the expected values for thermal DM. At 1.5 TeV DM mass, we improve the limits of 1.6 with respect to previous H.E.S.S. results. For the tested channels, these are the most constraining limits for TeV DM masses. We also investigate limits uncertainties due to the choice of the DM profile and the systematics. Another search for DM signal is performed towards DM subhalo candidates, the selected unidentified-Fermi-objects (UFOs) in the 3FHL Fermi catalog with no conventional astrophysical counterpart. We derive upper limits on the product between and the J-factor. The DM UFOs emission is excluded down to ~300 GeV. The reach in term of DM signal sensitivity with the current generation of IACTs in the GC region is investigated using a mock IGS dataset, the state of the art gamma-ray yields for the expected DM photon flux and for the DM distribution in the GC, including baryon feedback and stellar kinematic computations. New limits are derived for model-independent DM searches. The derived sensitivity cannot probe thermal Higgsino DM but excludes thermal Wino and Quintuplet DM. We widely explore how the evaluation of different uncertainties can affect the final results. The sensitivity of our analysis is robust against several sources of uncertainties.; L'astrophysique des très hautes énergies (THE, E ≥ 100 GeV) a été pionnière dans l'étude des processus non thermiques qui accélèrent des rayons cosmiques (RC) au sein d’objets galactiques et extragalactiques. L'une des régions les plus prometteuses est le Centre Galactique (CG), peuplée par de nombreuses émissions THE, comme l'émission étendue de bulles de Fermi (BF) détectée par Fermi-LAT aux énergies du GeV. Les rayons gamma THE sont des messagers remarquables pour rechercher la mystérieuse matière noire (MN). Parmi les candidats particules MN figurent les particules massives à faible interaction (WIMP), qui peuvent s'auto-annihiler et produire des rayons gamma aux TeV dans des régions denses de l'Univers, comme le CG. D'autres cibles sont les sous-halos MN, prédits dans les galaxies de type Voie lactée par des simulations cosmologiques de formation de structures. Le système stéréoscopique à haute énergie (H.E.S.S.), un réseau de 5 télescopes atmosphériques imageurs Cherenkov (IACT), détecte photons aux TeV. H.E.S.S. observe la région du CG dans des conditions uniques grâce à sa localisation dans l'hémisphère sud. La première partie de la thèse introduit des notions sur l'astrophysique THE, le réseau H.E.S.S., les candidates MN et les méthodes d’analyse statistiques utilisées. Pour ce dernier, nous décrivons les tests statistiques de log-vraisemblance (LLRTS) et les premiers résultats d'une nouvelle méthode des réseaux neuronaux bayésiens sur la discrimination spectrale et spatiale d'un signal faible en présence d'un fond dominant non trivial. La deuxième partie porte sur la région CG au THE. La Inner Galaxy Survey (IGS), un ensemble d'observation H.E.S.S. du CG, est décrit en détail. L'étude des incertitudes systématiques qui affecte les données IGS et l'effort en cours pour construire des modèles de brui de fond sont largement présentés. Avec les données IGS, nous recherchons l'émission à la base des BF et, pour la première fois, elle est détectée jusqu'à ~2 TeV avec signification intégrée de 9.2 σ. Nous montrons les flux observés différentiels d'énergie et des limites supérieures. À 1 TeV, le flux mesuré des BF est de ~1.2x10⁻⁹ TeVcm⁻²s⁻¹sr⁻¹. D'un ajustement conjoint des données Fermi et H.E.S.S., nous pouvons déterminer la coupure d'énergie sur le spectre des photons. Des analyses supplémentaires pour inclure les incertitudes systématiques sont en cours. La troisième partie rapporte de nouveaux résultats sur la recherche MN. En utilisant l'ensemble de données IGS, nous dérivons 95% C.L. limites supérieures observées et attendues sur la section efficace d'annihilation des WIMPs (), avec le LLRTS et pour nombreux canaux d'annihilation. Pour le canal τ⁺ τ⁻, nos limites atteignent 1.2x10⁻²⁶ cm³s⁻¹ pour une masse de MN de 0.7 TeV, défiant les valeurs attendues pour le MN thermique. À 1.5 TeV MN, nous améliorons de 1.6 les résultats précédents H.E.S.S.. Pour les canaux testés, ce sont les limites les plus contraignantes aux TeV. Nous étudions également les incertitudes systématiques et sur le choix du profil MN. Une autre recherche est effectuée vers les candidats sous-halo MN, les objets de Fermi non identifiés (OFNI), sélectionnés dans le catalogue Fermi 3FHL sans contrepartie astrophysique conventionnelle. Les limites supérieures sur le produit entre et le J-factor sont calculées. L'émission d'ovnis en terme de MN est exclue jusqu'à ~300 GeV. La portée en termes de sensibilité du signal MN avec la génération actuelle d'IACT dans la région CG est étudiée avec un jeu de données IGS fictif, les rendements de rayons gamma de pointe pour le flux de photons MN attendu et pour la distribution MN dans le CG, y compris la rétroaction baryonique et les calculs cinématiques stellaires. La sensibilité dérivée ne peut pas sonder le Higgsino MN thermique mais exclut le Wino et le Quintuplet MN thermique aux TeV. La sensibilité de notre analyse est robuste face à plusieurs sources d'incertitudes que nous avons explorées.

DAMIC-M (Dark Matter in CCDs at Modane) is a near-future experiment that aims at searching for low-mass dark matter particles through their interactions with silicon atoms in the bulk of charge-coupled devices(CCDs). Pioneer in this technique was the DAMIC experiment at SNOLAB. Its successor, DAMIC-M, will have a detector mass 17 times larger and will employ a novel CCD technology (skipper amplifiers) to achieve sub-electron readout noise. Strengthened by these characteristics, DAMIC-M will reach unmatched sensitivity to the dark matter candidates of the so-called hidden sector. A challenging requirement is to control the radiogenic background down to the level of a fraction of events perkeV per kg-day of target exposure. To meet this condition, Geant4 based simulations are being utilized to optimize the detector design, drive the material selection and handling, and test background rejection techniques. Furthermore, precise measurements were carried out with skipper CCDs to characterize the spectrum of Compton scattered electrons, which represent a dominant source of environmental background at low energy. This thesis focuses on the explored detector designs, the corresponding predicted background, and the strategies implemented for its mitigation and characterization., DAMIC-M (Dark Matter in CCDs at Modane) est une expérience en cours de développement qui aura pour objectif de détecter des particules de matière noire de faible masse grâce à l’interaction de ces dernières avec les atomes de silicium qui composent des capteurs photographiques CCDs. DAMIC à SNOLAB a été la première expérience à utiliser cette technologie pour la recherche de matière noire. Son successeur, DAMIC-M, aura une masse de détection 17 fois plus grande et utilisera une nouvelle technologie CCD (amplificateurs skipper) pour obtenir un bruit de lecture inférieur à un électron. Ces caractéristiques permettront à DAMIC-M d’atteindre une sensibilité inégalée aux candidats matière noire du «hidden sector» . Unetelle sensibilité requiert un excellent contrôle du bruit de fond radiogénique, il doit en effet être contraint au niveau d’une fraction d’évènement par keV par kg-jour d’exposition.Pour répondre à cette exigence, des simulations Geant4 sont utilisées pour optimiser la conception du détecteur, piloter la sélection et la manipulation des matériaux et tester les techniques de rejet du bruit de fond.De plus, afin de caractériser le spectre d’électrons diffusés par diffusion Compton, qui représentent une source dominante de bruit de fond à basse énergie, des mesures ont été réalisées avec des CCD skipper. Cette thèse se concentre sur les différentes configurations de détecteur testées, l’estimation du bruit de fond associé ainsi que sur les différentes stratégies mises en œuvre pour la caractérisation et l’atténuation de celui-ci.

The problem of the missing mass of the Universe is one of the most puzzling conundrums of modern physics. Assuming that it stems from the existence of yet unknown dark matter (DM) particles, one can probe the cosmos in the hope of detecting unambiguous signatures thereof. The properties of cold DM (CDM) particle candidates lead to the prediction that gravitational structures form on scales much smaller than typical galaxies, below the resolution scope of current cosmological simulations. This clustering translates into a large population of subhalos in galaxies, hence in the Milky Way. Only analytical models can encompass and describe their full distribution. My work is centred upon building a theoretically consistent and dynamically constrained subhalo population model. This relies mostly on three ingredients: the minimal subhalo mass, the cosmological mass function, and dynamical effects. I start from a simplified model of thermally produced dark matter (with scalar, pseudo-scalar, vector and axial-vector interactions with standard model particles). I classify models in terms of small-scale cut-off on the matter power spectrum, which is directly related to the minimal halo mass, making explicit the role of velocity dependence in the interaction processes. Secondly, I improve on the determination of the cosmological subhalo mass function by deriving it from the excursion set theory and a merger tree, while it was previously calibrated on simulations. Thirdly, I incorporate new dynamical effects by analytically studying the impact of stellar encounters susceptible of occurring in galactic discs. Besides, I illustrate an application of this model for indirect detection experiments looking for traces of DM annihilation in the Milky Way. In light of the 1525 unassociated point sources discovered by the Fermi-LAT collaboration, I give prospects for the detection of point-like subhalos as gamma-ray sources with Fermi-LAT-like and CTA-like instruments. I also shortly discuss the impact of additional effects, like the Sommerfeld effect.; Le problème de masse manquante de l'Univers est l'une des plus grandes énigmes de la cosmologie et de la physique fondamentale moderne. En supposant qu'elle soit résolue par l'existence de particules exotiques de matière noire, nous pouvons sonder le cosmos à la recherche des signatures spécifiques que ces dernières seraient susceptibles de laisser. Les candidats de type "particule" pour la matière noire froide ont des propriétés donnant lieu à la formation de structures gravitationnelles à des échelles bien plus petites que celles des halos galactiques typiques, hors de portée des simulations cosmologiques actuelles. Cette structuration, prédite théoriquement et dérivant des propriétés d'interactions des particules supposées de matière noire froide, se traduit en principe par l'existence d'un grand nombre de sous-halos composés exclusivement de matière noire dans des galaxies telles que la Voie Lactée. Seuls des modèles analytiques permettent alors de décrire leur distribution dans ses détails. Mon travail est centré sur le développement d'un tel modèle. Ce modèle est construit en respectant un principe d'auto-cohérence théorique auquel s'ajoutent des contraintes dynamiques, et repose principalement sur trois ingrédients : la masse minimale des sous-halos, leur fonction de masse cosmologique, et l'adjonction d'effets dynamiques dépendant de l'environnement. Le premier de ces éléments est déterminé dans le cadre d'un scénario simplifié de matière noire produite thermiquement dans l'univers primordial (particules exotiques dotées d'interactions scalaires, pseudo-scalaires, vectorielles et axiales aux particules du modèle standard). Je détermine l'impact des différents paramètres de ce scénario sur l'échelle de coupure prédite dans le spectre de puissance de la matière, qui se trouve corrélée à la masse minimale des sous-halos. En particulier, je rends explicite le rôle de la dépendance en vitesse des taux d'interactions. En second lieu, j'améliore la détermination de la fonction de masse des sous-halos en la calculant à partir d'une théorie statistique de formation des structures et d'un arbre de fusion. Cela permet de s'affranchir d'une étape de calibration sur des simulations cosmologiques qui représentait une forte limitation du modèle avant ce travail. De plus, j'ajoute de nouveaux effets dynamiques en déterminant, de façon analytique, les effets de marée gravitationnelle induits par les rencontres individuelles successives des sous-halos avec les étoiles du disque galactique. Pour terminer, j'illustre une application de ce modèle de population de sous-halos en ré-évaluant les prédictions de signaux de matière noire pour des expériences de détection indirecte. Je donne notamment des perspectives plus réalistes pour la détection de sous-halos ponctuels comme sources de rayons gamma avec des instruments de types Fermi-LAT et CTA, et pour l'association potentielle de certaines des 1525 sources non-associées figurant actuellement dans le catalogue de Fermi-LAT avec des sous-structures de matière noire. Je discute enfin très brièvement l'impact d'autres effets plus subtils associés à des interactions entre particules à longue portée, comme l'effet Sommerfeld.

Les incompatibilités entre les simulations numériques, les prédictions théoriques et les observations cosmologiques à courtes et larges échelles suggèrent que la Matière Noire (MN) auto-interagit fortement. Il a été démontré qu’introduire un médiateur léger peut permettre de rendre compte de telles auto-interactions pour la MN. Un tel médiateur permet, de plus, des interactions "portails" entre le "secteur caché" (contenant la MN et le médiateur léger) et le "secteur visible" (contenant les particules que l'on connaît déjà, c'est-à-dire du Modèle Standard). Toutefois, l’espace des paramètres se voit de plus en plus exclu aux vues d’une tension entre, d’une part, les observations cosmologiques et astrophysiques et, d’autre part, le fait que l'on ait à ce jour toujours pas mis en évidence des traces de MN dans aucune expérience de physique des particules.Nous commençons par détailler toutes les contraintes qui s’appliquent aux modèles pour lesquels la MN auto-interagit au moyen d’un médiateur léger. Pour cela, nous considérons les deux exemples de modèles connus du portail de Higgs et du portail de mélange cinétique. Nous discutons ensuite l’effet Sommerfeld et étudions ses nombreuses implications sur de tels modèles. Nous poursuivons en établissant comment rendre compte de la densité relique de MN observée aujourd’hui dans l'Univers dans de tels modèles, c'est-à-dire dans des modèles qui présentent une structure générique composée de trois populations de particules (le Modèle Standard, la MN et le médiateur) connectées les unes aux autres au travers de trois interactions résultantes de deux couplages fondamentaux entre particules. Il apparaît que cela peut être fait selon cinq manières dynamiques différentes qui donnent lieu à neuf régimes de production de la MN dont quatre sont nouveaux. Ces nouveaux régimes de production sont pertinents pour la situation où les particules du secteur caché ne sont pas en équilibre thermique avec les particules du secteur visible.Nous étudions ensuite plus en détail la possibilité d’un secteur caché qui n’est pas thermiquement connecté au secteur visible, en déterminant en particulier l’espace des paramètres autorisé pour des candidats de MN thermaux en termes du ratio des températures des deux secteurs et de la masse de la MN. Nous montrons ensuite que si les deux secteurs ne sont pas thermalement connectés, les deux modèles simples de portails que nous considérons permettent de diminuer les tensions à courtes échelles tout en offrant des candidats de MN viables. Enfin, nous proposons et explorons d’autres modèles minimaux de MN auto-interagissante qui satisfont aux nombreuses contraintes de manière consistante., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

The NEWS-G collaboration is conducting experiments that search for dark matter down to sub-GeV candidate masses with a gaseous detector, the spherical proportional counter. The next-generation detector, SNOGLOBE, a 140 cm-diameter spherical proportional counter, has been constructed, and plans for experiments beyond this are underway. The presented work has enabled SNOGLOBE, developing the understanding of the detector, the properties of gases, background suppression techniques and the physics potential of future experiments. The understanding of the detector electric field is essential to detector operation. Finite element method calculations were used to guide the development of read-out sensors, as was a dedicated simulation framework for spherical proportional counters, based on Geant4 and Garfield++.The use of a high-resistivity secondary correction electrode with the single-anode sensor improved detector operational stability and energy resolution by shaping the electric field. The use of a DLC coated, 3D-printed central electrode for the multi-anode sensor, ACHINOS, provided a breakthrough in detector stability and robustness. ACHINOS provides a means of operating with increasingly large and high-pressure detectors, which is essential for the operation of SNOGLOBE and future spherical proportional counter rare-event searches. The fraction of deposited energy dissipated as ionisation must be understood to infer the energy of a recoiling nucleus induced by dark matter elastic scattering. A method has been developed to compute this from precision measurements of the W-value in gases, which have been conducted for several decades. These provide experimental estimates of the ionisation quenching factor (QF) in several gases. The QF in CH₄ is of particular importance to the NEWS-G collaboration and is estimated to sub-keV recoil energies. The construction of dark matter detectors places extremely rigorous constraints on the radiopurity of materials used. In the case of NEWS-G, ²²²Rn introduced into the detector copper during manufacturing leads to a ²¹⁰Pb contamination, which is the dominant experimental background. A method of suppressing this background in copper is electroforming, which has been used by experiments to produce detector components due to the significant improvement in radiopurity. The technique has been scaled up and applied to apply a highly-pure copper layer to the inner surface of SNOGLOBE, reducing the background below 1 keV by a factor of 2.6. This is the largest deep-underground electroforming ever performed and has demonstrated the feasibility of the technique on large, spherical surfaces deep underground. The enhancement in radiopurity that can be achieved with electroforming has motivated future fully electroformed spherical proportional counters directly in an underground laboratory. The ECUME facility in SNOLAB will produce a 140 cm detector for NEWS-G, and is beginning operation this year. When installed in the shielding of SNOGLOBE, the fully electroformed detector will increase NEWS-G's sensitivity. Beyond this, DarkSPHERE is proposed as the next-generation detector. The 3 m fully underground electroformed detector, installed in an improved radiopurity shielding composed mainly of water, would have the potential to explore the dark matter candidate mass-cross section parameter space close to the solar neutrino floor in the sub-GeV dark matter mass range. The physics potential of such a detector has been explored.; La collaboration NEWS-G mène des expériences qui recherchent des particules candidates pour la matière noire jusqu'à des masses en dessous du GeV avec un détecteur gazeux le compteur proportionnel sphérique. Le détecteur de nouvelle génération, SNOGLOBE, un compteur proportionnel sphérique de 140 cm de diamètre, a été construit et des plans pour des expériences futures sont en cours. Le travail présenté a permis de développer la compréhension du détecteur, les propriétés des gaz, les techniques de suppression de fond et le potentiel physique des futures expériences. La compréhension du champ électrique du détecteur est essentielle au fonctionnement du détecteur. Les calculs de la méthode des éléments finis ont été utilisés pour guider le développement des capteurs de lecture, tout comme un programme de simulation, dédié aux compteurs proportionnels sphériques, basé sur Geant4 et Garfield ++. L'utilisation d'une électrode de correction secondaire à résistivité élevée avec le capteur à anode unique a amélioré la stabilité opérationnelle et la résolution d'énergie du détecteur en ajustant le champ électrique. L'utilisation d'une électrode centrale, imprimée en 3D pour le capteur multi-anode ACHINOS et enrobée d’une couche de DLC a permis une percée dans la stabilité et la robustesse du détecteur. ACHINOS offre un moyen de fonctionner avec des détecteurs de plus en plus grands et à haute pression, ce qui est essentiel pour le fonctionnement du SNOGLOBE et des futures recherches sphériques proportionnelles contre les événements rares. La fraction d'énergie déposée en forme d’ionisation doit être bien comprise pour déduire l'énergie d'un noyau de recul induit par la diffusion élastique de la matière noire. Une méthode a été développée pour calculer cela à partir de mesures de précision de la valeur W dans les gaz, menées depuis plusieurs décennies. Ceux-ci fournissent des estimations expérimentales du facteur de ‘quenching’ (QF) d'ionisation dans plusieurs gaz. Le facteur QF dans CH₄ est d'une importance particulière pour la collaboration NEWS-G et est estimé à des énergies de recul en dessous du keV. La construction de détecteurs de matière noire impose des contraintes extrêmement rigoureuses concernant la radio-pureté des matériaux utilisés. Dans le cas de NEWS-G, le ²²²Rn incrusté dans le cuivre du détecteur, lors de sa fabrication, conduit à une contamination de ²¹⁰Pb, qui est la plus grande contribution au bruit de fond expérimental. Une méthode de suppression de ce fond dans le cuivre est l'électroformage, qui a été utilisé par des expériences pour produire des composants de détecteur suite à l'amélioration significative de la radio-pureté. La technique a été rééchelonnée et une couche de cuivre très pur a été déposée à la surface interne de SNOGLOBE, réduisant le fond en dessous de 1 keV par un facteur de 2,6. Il s'agit du plus grand électroformage souterrain jamais réalisé et a démontré la faisabilité de la technique sur de grandes surfaces sphériques profondément souterraines. L'amélioration de la radio-pureté qui peut être obtenue avec l'électroformage a motivé le développement de futurs compteurs proportionnels sphériques entièrement électro-formés directement dans un laboratoire souterrain. L'installation ECUME de SNOLAB produira un détecteur de 140 cm pour NEWS-G et entrera en service cette année. Lorsqu'il est installé dans le blindage du SNOGLOBE, le détecteur entièrement électro-formé augmentera la sensibilité DM de NEWS-G. Au-delà, DarkSPHERE est proposé comme successeur dans la recherche directe de matière noire NEWS-G. Le détecteur électro-formé entièrement souterrain de 3 m, installé dans un blindage de radioprotection amélioré composé principalement d'eau, aurait le potentiel d'explorer l'espace de la section efficace pour la production de la matière noir proche au plancher des neutrinos solaires, dans la gamme de masse de matière noire inférieure à 1 GeV. Le potentiel physique d'un tel détecteur a été étudié.

Motivated by the recent gravitational wave detections, we consider primordial black holes as a valid alternative to a significant fraction of dark matter. At the moment, there is no experimental evidence of such an object, but the event called GW190814 has detected a compact object of 2.6 times the sun mass. It is therefore either the most massive neutron star or the lightest black hole ever detected. But it could also be a primordial black hole and we will consider different aspects of gravitational waves related to primordial black holes. First, we used the code developed by the Einstein Toolkit community to solve numerically the Einstein equations and calculate the gravitational wave-forms emitted by a binary black hole merger. These wave-forms are valid for any mass of the system thanks to the scaling relations for black holes described by the Kerr metric. We can thus easily have the wave-form for black holes having a mass of the order of a gram up to millions of solar masses. These scaling relations are also valid for charged black holes but there are more exotic black holes that break the scaling relations. We will also study the physical limits of these relations by considering the expansion of the Universe and Hawking radiation, which can become non-negligible for primordial black holes. When a gravitational wave signal is detected by the LIGO/Virgo collaboration, the detected objects are classified as neutron stars if their mass is lower than 2.2 times the sun mass and as black holes if their mass is higher than 5 times the sun mass. But if we do not want to use this distinction, we must be able to distinguish the effect of baryonic matter describing a neutron star through the tidal deformability. We will study the necessary conditions to determine the nature of compact objects by injecting wave-forms into a realistic detector noise. There are many candidates to describe dark matter and primordial black holes are one of them. The Fuzzy Dark Matter model based on a scalar field is another one and it is possible to extend this model to also mimic the behavior of dark energy. We will study the potential of such a model to give the most general form. At low energy, the two basic ingredients are: an extremely low mass term and a constant dominating the recent evolution of the Universe to replace dark energy. However, the shape of the potential remains an open issue because it is not very constrained in the primordial Universe. On the other hand, it is possible to give limits on the energy density of a generic scalar field during Big-Bang nucleosynthesis by the observed abundance of the elements. These limits are given: for a stable scalar field and for a scalar field decaying into radiation. There are many models using scalar fields in cosmology, to reduce their number, a solution is to consider them as non-independent. For this, we will introduce a triple unification model unifying: inflation, dark matter and dark energy with a single scalar field with a non-minimal coupling to gravity., Motivés par les récentes détections d'ondes gravitationnelles, nous considérons que les trous noirs primordiaux sont une alternative valable à une partie significative de la matière noire. Pour le moment, il n'y a pas de preuves expérimentales de l'existence d'un tel objet mais l'évènement appelé GW190814 a permis de détecter un objet compact de 2,6 fois la masse solaire. Il s'agit donc soit de l'étoile à neutrons la plus massive, soit du trou noir le plus léger jamais détecté. Mais il pourrait également s'agir d'un trou noir primordial et nous allons considérer différents aspects des ondes gravitationnelles reliées aux trous noirs primordiaux. Tout d'abord, nous avons utilisé le code développé par la communauté d'Einstein Toolkit pour résoudre numériquement les équations d'Einstein et calculer des formes d'ondes gravitationnelles émises par la fusion de deux trous noirs. Ces formes d'ondes sont valables pour n'importe quelle masse du système considéré grâce aux relations de scaling pour des trous noirs décrits par la métrique de Kerr. On peut donc facilement avoir la forme d'onde pour des trous noirs allant d'une masse de l'ordre du gramme jusqu'à des millions de masses solaires. Ces relations de scaling sont également valables pour des trous noirs chargés mais il existe des trous noirs plus exotiques qui brisent les relations de rescaling. Nous étudierons les limites physiques de ces relations en considérant l'expansion de l'Univers et le rayonnement de Hawking qui peuvent devenir non négligeables pour des trous noirs primordiaux. Lorsqu'un signal d'onde gravitationnelle est détecté par la collaboration LIGO/Virgo, les objets détectés sont classés en étoiles à neutrons si leur masse est inférieure à 2,2 fois la masse solaire et en trous noirs si leur masse est supérieure à 5 fois la masse solaire. Mais si on ne veut pas utiliser cette distinction, il faut être capable de mesurer l'effet de la matière baryonique décrivant une étoile à neutrons grâce à la déformabilité de marée. Ainsi, nous étudierons les conditions nécessaires pour déterminer la nature des objets compacts en injectant des formes d'onde dans un bruit réaliste des détecteurs. Par ailleurs, il existe de nombreux candidats pour décrire la matière noire et les trous noirs primordiaux n'en constituent qu'un parmi tant d'autres. Le modèle Fuzzy Dark Matter basé sur un champ scalaire en est un autre, et il est possible d'étendre un tel modèle pour qu'il imite également le comportement de l'énergie noire. Nous étudierons son potentiel pour en donner la forme la plus générale. A basse énergie, les deux ingrédients de base sont : un terme de masse extrêmement faible et une constante dominant l'évolution récente de l'Univers pour remplacer l'énergie noire. Cependant, la forme du potentiel reste une question ouverte car elle est très peu contrainte au cours de l'histoire de l'Univers. En revanche, il est possible de donner des limites sur la densité d'énergie d'un champ scalaire totalement générique au moment de la nucléosynthèse primordiale grâce à l'abondance des différents éléments primordiaux. Ces limites sont données pour un champ scalaire stable et pour un champ scalaire se désintégrant en radiation. Il existe de nombreux modèles utilisant des champs scalaires en cosmologie, pour essayer de réduire leur nombre, une solution est de les considérer comme non indépendant. Pour cela, nous introduirons un modèle de triple unification unifiant : l'inflation, la matière noire et l'énergie noire avec un seul et unique champ scalaire couplé de manière non minimale à la gravité.

The DAMIC (Dark Matter in CCDs) program employs the bulk silicon of scientific CCDs to search for ionization signals produced by interactions of particle dark matter, the nature of which is still unknown. By virtue of the low noise, low leakage current, and small pixel size of DAMIC CCDs, as well as the relatively low mass of the silicon nucleus, DAMIC is sensitive to ionization signals from recoiling nuclei or electrons following the scattering of WIMP or hidden-sector dark matter particles. The theme of this thesis is to advance next-generation CCD dark matter searches by investigating radioactive backgrounds that limit sensitivity and by improving the resolution of CCDs using Skipper technology. We present a technique to distinguish and reject background events in the DAMIC at SNOLAB detector by identifying spatially-correlated decay sequences over long periods. We also discuss a direct experimental measurement of the cosmogenic activation of silicon obtained via CCD irradiation. We review the construction of a radioactive background model for a CCD dark matter detector, which revealed the existence of a partial charge collection region in DAMIC CCDs. We propose steps for optimal material selection, fabrication, and handling of future detectors. Finally, we outline results from the deployment of novel Skipper CCDs that reach sub-electron resolution by performing non-destructive, multiple measurements of pixel charge. DAMIC-M, a kg-size Skipper CCD experiment, is being developed. We review the construction of automated test chambers to characterize DAMIC-M CCDs, for which a resolution of 0.07 e- has already been demonstrated., Le programme DAMIC (Dark Matter in CCDs) utilise le silicium massif des CCDs scientifiques pour chercher des signaux d’ionisation produits par les interactions de matière noire, dont la nature est encore inconnue. En raison des faibles bruit et courant de fuite, de la petite dimension des pixels CCD et de la masse du noyau de silicium, DAMIC est sensible aux signaux d’ionisation des noyaux ou des électrons en recul à la suite de la diffusion de particules de matière noire WIMPs ou du secteur caché. Le thème de ma thèse est de faire avancer la recherche de matière noire en étudiant les fonds radioactifs qui en limitent la sensibilité et en améliorant la résolution des CCDs à l’aide de la technologie Skipper. Je présente une technique pour rejeter ces fonds dans le détecteur DAMIC à SNOLAB en identifiant les séquences de désintégration spatialement corrélées. Je discute d’une mesure expérimentale de l’activation cosmogénique du silicium obtenue via l’irradiation des CCDs. Je décris la construction d’un modèle de fond radioactif pour un détecteur de matière noire CCD, qui a révélé l’existence d’une région de collecte de charges partielle. Je propose des étapes optimales pour la fabrication et la manipulation des matériaux des futurs détecteurs. Enfin, je décris les résultats du déploiement de nouveaux CCDs Skipper qui ont une résolution sub-électron grâce à des mesures multiples et non-destructives de la charge des pixels. DAMIC-M, une expérience de CCDs Skipper et d’ordre d’un kg, est en cours de développement. Je décris la construction de bancs de test pour caractériser les performances des CCDs de DAMIC-M, pour lesquels une résolution de 0,07 e- a déjà été démontrée.

Even if the standard cosmological LCDM model provides a remarkably successful framework to explain many independent observations, it still faces many challenges. In particular, the masses of neutrinos are still unknown and significantly alter structure formation because of their free-streaming that suppresses density fluctuations below a typical length scale inversely proportional to their rest mass. In addition, the cold dark matter (CDM) scenario is in tension with observations on scales smaller than the Mpc. In this thesis work, I use the power spectrum of the transmitted flux in the Lyman-α forest of distant quasar spectra to constrain the sum of neutrino masses, Σ mν, and determine the plausibility of a warm dark matter model, which is conveniently consistent with cold dark matter predictions on large scales while circumventing its issues at small scales because of its non-negligible velocity dispersion. First I measure the 1D power spectrum of the Lyα forest of 43,751 high quality quasar spectra between 2 ≤ z ≤ 4.6 from the BOSS and eBOSS programs of the SDSS spectroscopic survey. To obtain robust results given the unprecedented statistical power of the data I perform a careful investigation of observational systematic sources and their sources. Modeling the Lyα flux power spectrum requires to run hydrodynamical cosmological simulations because it arises from the complex interplay between large-scale structure evolution and small-scale baryonic physics. Indeed, astrophysical processes such as star formation or AGN feedback inject energy in the ambient medium and strongly impact the thermal state and gas distribution in the intergalactic medium. Including such processes in hydrodynamical simulations requires to rely on arbitrary parameters calibrated on astrophysical observations leading to discrepancies between different state-of-the-art simulations. In order to improve theoretical predictions of the Lyα forest, I constrain the impact of AGN feedback using a series of 8 hydro-cosmological simulations covering the whole plausible range of feedback models. I provide upper and lower limit for this signature for 2 ≤ z ≤ 4.25 and also show that ignoring this effect leads to 2σ shift on n_s and 1σ shift on σ_8. Finally, I combine the Lyα flux power spectrum measurements with CMB data, BAO data and theoretical predictions from hydrodynamical simulations to enhance the previously established constraints on the sum of neutrino masses from Σ mν < 0.12 eV to the most stringent constraints to date Σ mν < 0.09 eV in the most extreme case with 95% confidence, which tends to favor the normal hierarchy neutrino mass scenario. Combining eBOSS with XQ-100 Lyα data the mass m_X of hypothetical thermal relics is constrained to m_X > 5.3 keV at the 95% confidence level in the case of a pure warm dark matter scenario, which translates into mν_s > 34 kev for non-resonantly produced sterile neutrinos. Also, a mild-tension is found on n_s between eBOSS Lyα and CMB data, which translates into a preference for a non-zero running of n_s at the level of about 3σ., Bien que le modèle cosmologique standard LCDM offre un cadre remarquablement en accord avec de nombreuses observations indépendantes, beaucoup de mystères persistent. En particulier, la masse des neutrinos est toujours inconnue. De par leur masse non nulle, ils laissent une empreinte sur les grandes structures de l'univers à travers l'échelle à laquelle ils diffusent, qui se manifeste comme un déficit de fluctuations de densité de matière aux petites échelles. Par ailleurs, le modèle de matière noire froide montre des tensions persistantes avec les observations sur des échelles inférieures au Mpc. Dans ce travail de thèse, j'utilise le spectre de puissance de la transmission de flux dans la forêt Lyman-α dans des spectres de quasars lointains afin de contraindre la somme des masses des neutrinos et étudier la plausibilité d'un modèle de matière noire tiède. Dans un premier temps, j'ai mesuré le spectre de puissance 1D de la forêt Lyα à 13 redshifts tel que 2 ≤ z ≤ 4.25 en utilisant 43,751 spectres de quasars de haute qualité des programmes BOSS et eBOSS du relevé spectroscopique SDSS. Afin d'obtenir des résultats robustes sachant que les incertitudes statistiques ont été réduites d'un facteur 3 par rapport à la mesure précédente, j'ai identifié et contrôlé plusieurs effets systématiques dans l'analyse de données. Modéliser le flux Lyα implique de recourir à des simulations hydrodynamiques cosmologiques sachant qu'il émerge de la combinaison complexe entre l'évolution des grandes structures et de la physique baryonique des petites échelles. En effet, les processus astrophysiques tels que la formation stellaire et les phénomènes de retro-action de supernovae et des trous noirs rejettent une quantité considérable d'énergie dans le milieu environnant et modifient l'état thermique et la distribution du gaz dans le milieu intergalactique. Afin d'améliorer les prédictions théoriques de la forêt Lyα à un niveau comparable des données, je contrains l'impact des mécanismes de retro-action des trous noirs sur le spectre de puissance Lyα grâce à un jeu de 8 simulations que j'ai produit en me basant sur des observations astrophysiques et qui couvre l'ensemble des modèles de feedback plausibles. Je fournis une correction analytique de cet effet ainsi qu'une limite supérieure et inférieure tel que 2 ≤ z ≤ 4.25 et je montre qu'ignorer un tel mécanisme induit un biais de 2σ sur n_s et 1σ sur σ_8. Finalement, je combine les mesure des spectres de puissance Lyα avec des données CMB et BAO afin de les comparer statistiquement aux prédictions théoriques des simulations hydrodynamiques pour améliorer la contrainte sur la somme des masses des neutrinos de Σ mν < 0.12 eV établie précédemment à Σ mν < 0.09 eV dans le cas le plus extrême à 95% de vraisemblance. Ce résultat indique une préférence des données pour un modèle normal de hiérarchie de masse. La combinaison des données Lyα eBOSS avec les données Lyα XQ-100, contraint la masse des reliques thermiques à m_X > 5.3 keV à 95% de vraisemblance dans un cas de modèle de matière noire entièrement constitué de matière noire tiède, ce qui se traduit par une limite supérieure sur les neutrinos stériles produits de manière non-résonante à mν_s > 34 kev. Aussi, les données Lyα-eBOSS confirme une tension existante avec les données CMB sur l'indice spectral n_s et indique une préférence pour une dépendance d'échelle non nulle de n_s à 3σ.

This doctoral research focuses on the nature of the dark matter (DM) and more particularly on the inconsistency of inner DM density profiles in dwarf galaxies, the cusp-core problem. We have found new resolutions of this cold DM challenge at small scales using high resolution fully GPU N-body simulations. First, we have re-investigated the Fornax cusp-core problem using observational results on the spatial and mass distributions of globular clusters in order to put constraints on the DM profile. Then, N-body simulations were designed to demonstrate that DM minihalos, as a new component of globular clusters, resolve both the timing and cusp-core problems in Fornax if the globular clusters were recently accreted. Secondly, we have examined whether DM candidates in the form of PBHs can solve the cusp-core problem in low-mass galaxies. This mechanism works for PBHs in the 25-100 Msol mass window but requires a lower limit on the PBH mass fraction of 1% of the total dwarf galaxy DM content. Then, we have demonstrated that subhalos sink and transfer energy via dynamical friction into the centres of dwarf galaxies. This dynamical heating kicks any central intermediate massive BH out to tens of parsecs. Finally, we demonstrate that accretion of a satellite on a highly eccentric orbit causes the formation a DM core and naturally explains a present BH offset by sub-parsecs in M31.; Cette thèse porte sur la nature de la matière noire (MN) et plus particulièrement sur le problème de la disparité des profils de densité interne de MN dans les galaxies naines, le problème « cusp-core". Nous avons commencé par réétudier ce problème pour la galaxie naine, Fornax, en utilisant la distribution spatiale et de masse des amas globulaires observée afin de contraindre le profil de MN. Ensuite, nous avons démontré avec des simulations N-corps que les minihalos de MN, en tant que nouvelle composante des amas globulaires, résolvent à la fois le "timing problem" et le problème "cusp-core" dans Fornax — dans le cas où les amas globulaires ont été récemment accrétés. Par ailleurs, nous avons examinés si les candidats de MN sous la forme de trous noirs primordiaux (TNP) peuvent résoudre ce problème dans les galaxies de faible masse. Ce mécanisme fonctionne pour les TNPs entre 25 et 100 Msol mais nécessite que la masse de la population de TNPs soit plus de 1% de la masse totale de MN dans les galaxies naines. Ensuite, nous avons démontré qu'en transférant de l’énergie par friction dynamique dans le centre des galaxies naines, le trou noir central est éjecté à des dizaines de parsecs. Enfin, nous démontrons que l'accrétion d'un satellite sur une orbite très excentrique provoque la formation d'un coeur de MN et explique également que le trou noir central soit décentré dans M31.

This doctoral research focuses on the nature of the dark matter (DM) and more particularly on the inconsistency of inner DM density profiles in dwarf galaxies, the cusp-core problem. We have found new resolutions of this cold DM challenge at small scales using high resolution fully GPU N-body simulations. First, we have re-investigated the Fornax cusp-core problem using observational results on the spatial and mass distributions of globular clusters in order to put constraints on the DM profile. Then, N-body simulations were designed to demonstrate that DM minihalos, as a new component of globular clusters, resolve both the timing and cusp-core problems in Fornax if the globular clusters were recently accreted. Secondly, we have examined whether DM candidates in the form of PBHs can solve the cusp-core problem in low-mass galaxies. This mechanism works for PBHs in the 25-100 Msol mass window but requires a lower limit on the PBH mass fraction of 1% of the total dwarf galaxy DM content. Then, we have demonstrated that subhalos sink and transfer energy via dynamical friction into the centres of dwarf galaxies. This dynamical heating kicks any central intermediate massive BH out to tens of parsecs. Finally, we demonstrate that accretion of a satellite on a highly eccentric orbit causes the formation a DM core and naturally explains a present BH offset by sub-parsecs in M31.; Cette thèse porte sur la nature de la matière noire (MN) et plus particulièrement sur le problème de la disparité des profils de densité interne de MN dans les galaxies naines, le problème « cusp-core". Nous avons commencé par réétudier ce problème pour la galaxie naine, Fornax, en utilisant la distribution spatiale et de masse des amas globulaires observée afin de contraindre le profil de MN. Ensuite, nous avons démontré avec des simulations N-corps que les minihalos de MN, en tant que nouvelle composante des amas globulaires, résolvent à la fois le "timing problem" et le problème "cusp-core" dans Fornax — dans le cas où les amas globulaires ont été récemment accrétés. Par ailleurs, nous avons examinés si les candidats de MN sous la forme de trous noirs primordiaux (TNP) peuvent résoudre ce problème dans les galaxies de faible masse. Ce mécanisme fonctionne pour les TNPs entre 25 et 100 Msol mais nécessite que la masse de la population de TNPs soit plus de 1% de la masse totale de MN dans les galaxies naines. Ensuite, nous avons démontré qu'en transférant de l’énergie par friction dynamique dans le centre des galaxies naines, le trou noir central est éjecté à des dizaines de parsecs. Enfin, nous démontrons que l'accrétion d'un satellite sur une orbite très excentrique provoque la formation d'un coeur de MN et explique également que le trou noir central soit décentré dans M31.

The existence of the dark matter and the truth beyond its nature has been one of the greatest puzzle of the twentieth century and still it is nowadays. In the last decades several hypothesis, such as the WIMPs model, have been proposed to solve such puzzle but none of them has been able so farto succeed.In this thesis work we will focus on an other very appealing model in which dark matter is successfully described by an ultra-light scalar field whose origin can be sought in the low-energy limit of one of the most promising unification theories: the String Theory.In this work we show how such scalar field, if present, interacts with standard matter and in particular with the optical apparatus that is at the core of gravitational waves antennas. We derive and discuss the signal produced by this interaction through different approaches deriving both approximated and exact solutions. Special attention is paid to the second-order term of the signal approximate series expansion whose contribution ends up to be not negligible when one factors in the specific geometrical dimensions and frequency range of gravitational waves detectors like Advanced LIGO and Advanced Virgo.As suggested by recent surveys, we assume the presence of a dark matter stream in the local neighborhood of the solar system and show its effect on the signal.We then propose and discuss a hierarchical statistical analysis aimed to the signal detection. In case of no detection a limit curve for the coupling parameter d*g is derived. Such curve is then analyzed in detail showing the magnitude of the contribution of the first-order and second-order terms of the signal series expansion. We analyze the modification of the constraint curve due to the variation of the fraction of local dark matter belonging to the stream. We show finally how the constraint curve responds to variations of the search parameter and discuss the optimal choices.; L’existence de la matière noire et la vérité sur sa nature a été l’une des plus grandes énigmes du XXe siècle et elle l’est encore aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, plusieurs hypothèses, telles que le modèle WIMPs, ont été proposées pour résoudre une telle énigme. Aucune d’entre elles n’a pour l’instant réussi.Dans ce travail de thèse, nous nous concentrerons sur un autre modèle très attrayant dans lequel la matière noire pourrait être décrite avec succès par un champ scalaire ultra-léger. L’origine de ce champ peut être recherchée dans la limite de basse énergie de l’une des théories d’unification les plus prometteuses : la théorie des cordes.Dans ce travail, nous montrons comment un tel champ scalaire, s’il est présent, interagit avec la matière standard et en particulier avec l’appareil optique qui est au cœur des antennes d’ondes gravitationnelles. Nous evaluons et nous discutons le signal produit par cette interaction à traversdifférentes approches. Des solutions approximatives et exactes sont ensuite obtenues. Une attention particulière est accordée au terme du deuxième ordre de l’expansion en série approximative du signal. On trouve, en effet, que sa contribution finit par ne pas être négligeable lorsque l’on tient compte des dimensions géométriques spécifiques et de la gamme de fréquence des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme Advanced LIGO et Advanced Virgo.En tenant compte des travaux récents, nous supposons la présence d’un flux de matière noire voisin du système solaire et nous montrons son effet sur le signal.Nous proposons et discutons une analyse statistique hiérarchique visant à la détection du signal. En cas de non-détection, une courbe limite pour le paramètre de couplage d*g est dérivée. Cette courbe est ensuite analysée en détail montrant l’ampleur de la contribution des termes de premier ordreet de deuxième ordre de l’expansion en série de signaux. Nous analysons la modification de la courbe de contrainte en raison de la variation de la fraction de matière noire locale appartenant au flux. Nous montrons enfin comment la courbe de contrainte répond aux variations du paramètre derecherche. Une discussion sur des choix optimaux est proposée.

The existence of the dark matter and the truth beyond its nature has been one of the greatest puzzle of the twentieth century and still it is nowadays. In the last decades several hypothesis, such as the WIMPs model, have been proposed to solve such puzzle but none of them has been able so farto succeed.In this thesis work we will focus on an other very appealing model in which dark matter is successfully described by an ultra-light scalar field whose origin can be sought in the low-energy limit of one of the most promising unification theories: the String Theory.In this work we show how such scalar field, if present, interacts with standard matter and in particular with the optical apparatus that is at the core of gravitational waves antennas. We derive and discuss the signal produced by this interaction through different approaches deriving both approximated and exact solutions. Special attention is paid to the second-order term of the signal approximate series expansion whose contribution ends up to be not negligible when one factors in the specific geometrical dimensions and frequency range of gravitational waves detectors like Advanced LIGO and Advanced Virgo.As suggested by recent surveys, we assume the presence of a dark matter stream in the local neighborhood of the solar system and show its effect on the signal.We then propose and discuss a hierarchical statistical analysis aimed to the signal detection. In case of no detection a limit curve for the coupling parameter d*g is derived. Such curve is then analyzed in detail showing the magnitude of the contribution of the first-order and second-order terms of the signal series expansion. We analyze the modification of the constraint curve due to the variation of the fraction of local dark matter belonging to the stream. We show finally how the constraint curve responds to variations of the search parameter and discuss the optimal choices.; L’existence de la matière noire et la vérité sur sa nature a été l’une des plus grandes énigmes du XXe siècle et elle l’est encore aujourd’hui. Au cours des dernières décennies, plusieurs hypothèses, telles que le modèle WIMPs, ont été proposées pour résoudre une telle énigme. Aucune d’entre elles n’a pour l’instant réussi.Dans ce travail de thèse, nous nous concentrerons sur un autre modèle très attrayant dans lequel la matière noire pourrait être décrite avec succès par un champ scalaire ultra-léger. L’origine de ce champ peut être recherchée dans la limite de basse énergie de l’une des théories d’unification les plus prometteuses : la théorie des cordes.Dans ce travail, nous montrons comment un tel champ scalaire, s’il est présent, interagit avec la matière standard et en particulier avec l’appareil optique qui est au cœur des antennes d’ondes gravitationnelles. Nous evaluons et nous discutons le signal produit par cette interaction à traversdifférentes approches. Des solutions approximatives et exactes sont ensuite obtenues. Une attention particulière est accordée au terme du deuxième ordre de l’expansion en série approximative du signal. On trouve, en effet, que sa contribution finit par ne pas être négligeable lorsque l’on tient compte des dimensions géométriques spécifiques et de la gamme de fréquence des détecteurs d’ondes gravitationnelles comme Advanced LIGO et Advanced Virgo.En tenant compte des travaux récents, nous supposons la présence d’un flux de matière noire voisin du système solaire et nous montrons son effet sur le signal.Nous proposons et discutons une analyse statistique hiérarchique visant à la détection du signal. En cas de non-détection, une courbe limite pour le paramètre de couplage d*g est dérivée. Cette courbe est ensuite analysée en détail montrant l’ampleur de la contribution des termes de premier ordreet de deuxième ordre de l’expansion en série de signaux. Nous analysons la modification de la courbe de contrainte en raison de la variation de la fraction de matière noire locale appartenant au flux. Nous montrons enfin comment la courbe de contrainte répond aux variations du paramètre derecherche. Une discussion sur des choix optimaux est proposée.

The spherical proportional counters have been used by the NEWS-G collaboration since 2013 for dark matter search with the SEDINE detector installed at the Laboratoire Souterrain de Modane. This first detector allowed for establishing a new limit on the WIMP-nucleon cross section for WIMPs of mass less than 0.6 GeV/c². Since then, the collaboration has been working on the development of a new detector. This thesis focuses on two improved aspects of the second detector. The study of the background observed by SEDINE led to the conclusion that it is dominated by the presence of Pb²¹⁰ decay chain on the surfaces and in the materials making up the detector and its shielding. This allowed for the selection of materials and manufacturing methods to reduce the background noise of the next detector. The second development concerns the detector anode. Placed in the center of the sphere, the anode ensures the formation of the signal. The latest developments show the ability of this component to ensure the detection of single electrons while being stable and with good resolution. This study made it possible to develop a new generation of detector which will be installed at SNOLAB in 2020., Les compteurs proportionnels sphériques sont utilisés pour la recherche de matière noire par la collaboration NEWS-G depuis 2013 avec le détecteur SEDINE installé au Laboratoire Souterrain de Modane. Ce premier détecteur a permis d'établir une nouvelle limite de la section efficace d'interaction WIMP-nucléon pour des WIMPs de masse inférieur à 0.6 GeV/c². Depuis, la collaboration travail à la mise au point d'un nouveau détecteur. Cette thèse se concentre sur deux aspects améliorés pour le second détecteur. L'étude du bruit de fond observé par SEDINE a permis de conclure que celui-ci est dominé par le présence de la chaine de désintégration du Pb²¹⁰ sur les surfaces et dans le matériaux composant le détecteur et son blindage. Ceci a permis de sélectionner des matériaux et des procédés de fabrication permettant de réduire le bruit de fond du prochain détecteur. Le second développement concerne l'anode du détecteur. Placée au centre de la sphère, l'anode assure la formation du signal. Les derniers développements montrent la capacité de ce composant à assurer la détection d'électrons uniques en étant stable et avec une bonne résolution.

Observational efforts during the last decades have led to the establishment of the ΛCDM model as the standard model of our Universe. In this model, dark matter represents the majority of the matter content of the Universe, whose unknown nature poses one of the largest mysteries in physics today. A key ingredient for constraining its properties and physical origin from astronomical observations is the modeling of dark matter in cosmological simulations to understand the formation of structures and create accurate predictions. In this thesis, we study various aspects of the gravitational collapse of perturbations in the initial density field, which leads to an intricate web composed of walls, filaments, and halos, in which baryons condense and form the rich structures that we can observe today. In particular, we use cosmological Nbody simulations and exploit the Lagrangian mapping from coordinates in the initial conditions to the late time positions and velocities to follow the evolution of the dark matter fluid. In a first part, we use the phase-space properties of dark matter to study the emergence of the largescale velocity dispersion tensor field. It carries the anisotropic signature of gravitational collapse, allowing us to derive a new classification method of the cosmic web and characterize the velocity field of dark matter in these collapsed environments. We then show that the amplitude of the dark matter velocity dispersion is in good agreement with the isotropic random velocities in the shock-heated baryonic gas tracing the dark matter distribution. This will allow improved predictions of temperatures of the intergalactic medium from N-body simulations in future studies. In a second part, we focus on the collapse of gravitationally bound halos and their origin in the initial perturbation field. These proto-halo patches play an important role for zoom simulations, i.e. simulations that focus computational resources on an individual object of interest and thus require accurate knowledge about the Lagrangian patch from where the object forms. In this regard, we develop a web application, which allows users to find target objects for re-simulation in various halo catalogs of existing state-of-the-art simulations, to retrieve initial conditions for different simulation codes refined on their associated proto-halo, and to reference the initial conditions in scientific publications. Finally, we exploit the available dataset of halos and associated proto-halos to study the connection between the initial perturbations, intrinsic properties of the collapsed objects, and the influence of the large scale environment.; Les grands relevés observationnels des dernières décennies ont conduit à imposer le modèle ΛCDM comme le modèle cosmologique privilégié pour décrire l'Univers. Dans ce modèle, la matière noire représente la principale composante de la matière de l'Univers, et sa nature inconnue représente l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine. La modélisation dynamique de la matière noire par le biais de simulations numériques constitue désormais un outil indispensable pour contraindre ses propriétés et ses origines physiques. Dans cette thèse, nous étudions différents aspects de l’effondrement gravitationnel des perturbations dans le champ de densité initial, qui mène à une toile cosmique complexe composée de murs, filaments et halos, dans lequel les baryons se condensent et forment les riches structures que nous pouvons observer aujourd’hui. En particulier, nous utilisons des simulations cosmologiques à N-corps et employons une application Lagrangienne depuis les conditions initiales jusqu’aux positions et vitesses finales pour suivre l'évolution du fluide de matière noire. Dans un premier temps, nous utilisons les propriétés de l’espace des phases de la matière noire pour étudier l'émergence du champ de tenseur de dispersion des vitesses aux grandes échelles. Il transporte les signatures des anisotropies de l’effondrement gravitationnel, ce qui nous permet de déduire une nouvelle méthode de classification de la toile cosmique et de caractériser le champ de vitesse de la matière noire dans ces environnements effondrés. Nous montrons ensuite que l’amplitude de la dispersion de vitesse de la matière noire est en bon accord avec les vitesses aléatoires isotropes dans le gaz de baryons chauffé par chocs et traçant la distribution de matière noire. Ceci permettra d'améliorer les prédictions des températures du milieu intergalactique à partir des simulations à N-corps dans des études futures. Dans un second temps, nous nous concentrons sur l’effondrement de halos gravitationnellement liés et leur origine dans le champ de perturbation initial. Ces patchs de proto-halos jouent un rôle important pour des simulations zoom, c’est-à-dire des simulations qui concentrent les ressources de calculs sur un objet spécifique et requièrent ainsi une connaissance précise du patch Lagrangien depuis lequel cet objet se forme. Dans ce cadre nous avons développé une application Web qui permet aux utilisateurs de sélectionner des objets cibles en vue d'être re-simulés dans des catalogues de halos extraits de diverses simulations récentes, de récupérer les conditions initiales compatibles à différents codes de simulations raffinées sur leurs proto-halos associé, et de référencer ces conditions initiales dans les publications scientifiques. Enfin, nous utilisons les jeux de données disponibles de halos et proto-halos associés pour étudier la connexion entre les perturbations initiales, les propriétés intrinsèques des objets effondrés et l’influence de l’environnement à grande échelle.

Observational efforts during the last decades have led to the establishment of the ΛCDM model as the standard model of our Universe. In this model, dark matter represents the majority of the matter content of the Universe, whose unknown nature poses one of the largest mysteries in physics today. A key ingredient for constraining its properties and physical origin from astronomical observations is the modeling of dark matter in cosmological simulations to understand the formation of structures and create accurate predictions. In this thesis, we study various aspects of the gravitational collapse of perturbations in the initial density field, which leads to an intricate web composed of walls, filaments, and halos, in which baryons condense and form the rich structures that we can observe today. In particular, we use cosmological Nbody simulations and exploit the Lagrangian mapping from coordinates in the initial conditions to the late time positions and velocities to follow the evolution of the dark matter fluid. In a first part, we use the phase-space properties of dark matter to study the emergence of the largescale velocity dispersion tensor field. It carries the anisotropic signature of gravitational collapse, allowing us to derive a new classification method of the cosmic web and characterize the velocity field of dark matter in these collapsed environments. We then show that the amplitude of the dark matter velocity dispersion is in good agreement with the isotropic random velocities in the shock-heated baryonic gas tracing the dark matter distribution. This will allow improved predictions of temperatures of the intergalactic medium from N-body simulations in future studies. In a second part, we focus on the collapse of gravitationally bound halos and their origin in the initial perturbation field. These proto-halo patches play an important role for zoom simulations, i.e. simulations that focus computational resources on an individual object of interest and thus require accurate knowledge about the Lagrangian patch from where the object forms. In this regard, we develop a web application, which allows users to find target objects for re-simulation in various halo catalogs of existing state-of-the-art simulations, to retrieve initial conditions for different simulation codes refined on their associated proto-halo, and to reference the initial conditions in scientific publications. Finally, we exploit the available dataset of halos and associated proto-halos to study the connection between the initial perturbations, intrinsic properties of the collapsed objects, and the influence of the large scale environment.; Les grands relevés observationnels des dernières décennies ont conduit à imposer le modèle ΛCDM comme le modèle cosmologique privilégié pour décrire l'Univers. Dans ce modèle, la matière noire représente la principale composante de la matière de l'Univers, et sa nature inconnue représente l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine. La modélisation dynamique de la matière noire par le biais de simulations numériques constitue désormais un outil indispensable pour contraindre ses propriétés et ses origines physiques. Dans cette thèse, nous étudions différents aspects de l’effondrement gravitationnel des perturbations dans le champ de densité initial, qui mène à une toile cosmique complexe composée de murs, filaments et halos, dans lequel les baryons se condensent et forment les riches structures que nous pouvons observer aujourd’hui. En particulier, nous utilisons des simulations cosmologiques à N-corps et employons une application Lagrangienne depuis les conditions initiales jusqu’aux positions et vitesses finales pour suivre l'évolution du fluide de matière noire. Dans un premier temps, nous utilisons les propriétés de l’espace des phases de la matière noire pour étudier l'émergence du champ de tenseur de dispersion des vitesses aux grandes échelles. Il transporte les signatures des anisotropies de l’effondrement gravitationnel, ce qui nous permet de déduire une nouvelle méthode de classification de la toile cosmique et de caractériser le champ de vitesse de la matière noire dans ces environnements effondrés. Nous montrons ensuite que l’amplitude de la dispersion de vitesse de la matière noire est en bon accord avec les vitesses aléatoires isotropes dans le gaz de baryons chauffé par chocs et traçant la distribution de matière noire. Ceci permettra d'améliorer les prédictions des températures du milieu intergalactique à partir des simulations à N-corps dans des études futures. Dans un second temps, nous nous concentrons sur l’effondrement de halos gravitationnellement liés et leur origine dans le champ de perturbation initial. Ces patchs de proto-halos jouent un rôle important pour des simulations zoom, c’est-à-dire des simulations qui concentrent les ressources de calculs sur un objet spécifique et requièrent ainsi une connaissance précise du patch Lagrangien depuis lequel cet objet se forme. Dans ce cadre nous avons développé une application Web qui permet aux utilisateurs de sélectionner des objets cibles en vue d'être re-simulés dans des catalogues de halos extraits de diverses simulations récentes, de récupérer les conditions initiales compatibles à différents codes de simulations raffinées sur leurs proto-halos associé, et de référencer ces conditions initiales dans les publications scientifiques. Enfin, nous utilisons les jeux de données disponibles de halos et proto-halos associés pour étudier la connexion entre les perturbations initiales, les propriétés intrinsèques des objets effondrés et l’influence de l’environnement à grande échelle.

The work presented in this thesis is about the sterile neutrino search with the two experiments SOX and TRISTAN based on the β-decay. Sterile neutrinos are theoretically well motivated particles that do not participate in any fundamental interaction except for the gravitation. With the help of these particles one could elegantly explain the origin of the neutrino mass, dark matter and the matter-antimatter asymmetry in the universe. As sterile neutrinos can mix with the known active neutrinos, they could be discovered in laboratory searches. The SOX experiment was designed to search for a sterile neutrino with a mass in the eV-range. This particular mass range is motivated by several anomalous observations at short-baseline neutrino experiments that could be explained by an additional oscillation with a length in the order of meters that arises from an eV-scale sterile neutrino. For SOX it was planned to use the existing Borexino solar neutrino detector to search for an oscillation signal within the detector volume. The neutrinos are emitted from a 5.5 PBq electron-antineutrino source made of the β-decaying isotopes ¹⁴⁴Ce and ¹⁴⁴Pr, located at 8.5 m distance from the detector center. For the analysis of the signal it is crucial to know the source activity. This parameter is determined by measuring the decay heat of the source with a thermal calorimeter that was developed by TUM and INFN Genova. The decay heat is measured through the temperature increase of a well-defined water flow in a heat exchanger that surrounds the source. The calorimeter was assembled, optimized and characterized. Heat losses were determined through calibration measurements with an electrical heat source. Adjustable measurement conditions and an elaborate thermal insulation allowed an operation with negligible heat losses. It was proven that the power of a decaying source can be measured with, Le travail présenté dans cette thèse porte sur la recherche de neutrino stérile à l'aide de désintégrations β dans les expériences SOX et TRISTAN. Le neutrino stérile est une particule hypothétique, solidement établi théoriquement, qui ne prendrait part à aucune interaction fondamentale, gravité mise à part. Étant entendu que le neutrino stérile se mélange avec les neutrinos actifs connus, l'existence de ces premiers peut être étudiée directement en laboratoire. L'expérience SOX a été conçue pour explorer l'existence d'un neutrino stérile d'une masse autour de l'électronvolt (eV). Un neutrino stérile avec une telle masse permettrait d'expliquer plusieurs anomalies observées à courte distance de sources (quelques mètres) lors de mesures d'oscillations de neutrinos de basses énergies (quelques MeV). SOX avait pour projet d'utiliser le détecteur de neutrinos solaire déjà existant Borexino, et d'observer un signal d'oscillation vers le stérile à l'intérieur même du volume actif du détecteur. La source radioactive de 5.5 PBq et positionnée à 8.5 m du centre du détecteur, émettrait des antineutrinos électroniques via la désintégration β du ¹⁴⁴Ce et du ¹⁴⁴Pr. Une des clés de l'observation de cette oscillation, est la connaissance précise de l'activité de la source. Une telle activité peut être déterminée en mesurant la chaleur dégagée par la source. C'est la raison pour laquelle l'INFN Genova et la TUM ont développé conjointement un calorimètre dédié. La chaleur dégagée par la radioactivité est alors captée par un échangeur puis transmise à un circuit d'eau étroitement contrôlé. Le calorimètre a été assemblé, optimisé puis étalonné avec succès. La perte de chaleur du circuit fut déterminée lors des mesures d'étalonnage grâce à un chauffage électrique. Des variations des conditions expérimentales et une isolation thermique sophistiquée ont permis d'opérer avec des pertes de chaleur négligeables. Il a ainsi été démontré que la puissance thermique de la source pouvait être estimée, en 5 jours seulement, avec une précision supérieure à 0,2%. Malheureusement, le programme SOX a dû être annulé. Le projet TRISTAN, quant à lui, tend à démontrer l'existence d'un neutrino stérile avec une masse de l'ordre du kilo-électronvolt (keV). Si le neutrino stérile à l'eV tente d'apporter une réponse aux différentes anomalies observées lors de mesures d'oscillation, le neutrino stérile au keV, en tant que potentiel candidat matière noire. Le projet TRISTAN cherche à mesurer l'empreinte de ce nouvel état de masse sur le spectre du tritium dans le cadre de l'expérience KATRIN. Cette dernière vise à déterminer la masse effective du neutrino (actif) en mesurant l'extrémité du spectre de tritium avec une excellente résolution et un faible taux de comptage. Une fois la mesure achevée, le détecteur de KATRIN sera modifié afin d'effectuer une mesure différentielle et intégrale de l'ensemble du spectre en tritium: c'est le projet TRISTAN. Le détecteur actuel sera remplacé par un nouveau détecteur de silicium à dérive (SDD) de 3500 pixels permettant une résolution de 3% à 6 keV et pouvant supporter un taux de comptage montant jusqu'à 10⁸ coups par seconde, activité maximum attendue. Un prototype a été testé avec succès et une première mesure de tritium a été réalisé au spectromètre de masse neutrino Troitsk afin d'étudier les erreurs systématiques et de développer des méthodes d'analyses pertinentes. Un premier ajustement cohérent du spectre tritium différentiel acquis lors de cette installation, a démontré la faisabilité du projet. TRISTAN lui-même est toujours en cours de développement mais les caractérisations du détecteur et les études de systématiques sont plus qu'encourageantes pour la poursuite du projet. La première investigation de neutrino stérile avec le détecteur de TRISTAN sur le site de KATRIN est prévue après la mesure de masse, en cours à Karlsruhe, aux alentours de 2024.

The existence of dark matter is known because of its gravitational effects, and although its nature remains undisclosed, one of the leading candidate is the weakly interacting massive particle (WIMP) with mass of the order of 100 GeV/c2 and coupling with ordinary matter at or below the weak scale. In this context, DarkSide-50 aims to direct observe WIMP-nucleon collisions in a liquid argon dual phase time-projection chamber located deep underground at Gran Sasso National Laboratory, in Italy. This work first details the argon calibration realised by the ARIS experiment. ARIS characterised the argon response to low energy nuclear and electronic recoils, down to unprecedented energies. The nuclear quenching was measured with the best precision to this date, and the recombination probability extracted was compared to different models describing the behaviour of argon in presence of an electric field. A search for low mass WIMPs performed with DarkSide-50 data is also presented. This search focuses on the ionisation signal from the TPC, leading much to much lower detection threshold. The achieved exclusion limits are amongst the leading ones, and the most stringent for a liquid argon target. Finally a preliminary search for axions is presented. Axions are an alternative candidate to dark matter, proposed as a solution to the strong CP problem. They are detectable in DarkSide via their coupling to electrons. This search required the improvement of the modelling of the background sources, by taking into account atomic effects in beta emission spectra, as well as a redefinition of the energy scale converting the energy deposited into a number of extracted electrons. The results presented show an encouraging sensitivity to both solar and galactic axions.; L'existence de la matière noire est connue en raison de ses effets gravitationnels et, bien que sa nature reste inconnue, un des candidats principaux est une particule massive interagissant faiblement (WIMP) ayant une masse de l'ordre de 100 GeV/c2 et un couplage avec la matière ordinaire à ou en dessous de l'échelle faible. Dans ce contexte, DarkSide-50 cherche à observer des collisions WIMP-nucléon dans une chambre de projection temporelle à double phase d'argon liquide située dans le sous-sol du Laboratoire National du Gran Sasso (LNGS), en Italie. Le travail présenté ici porte d'abord sur une étude de la réponse de l'argon aux reculs nucléaires et électroniques à basse énergie, réalisée par l’expérience ARIS. Le quenching nucléaire a été mesuré avec la meilleure précision à cette date et la probabilité de recombinaison a été comparée aux différents modèles décrivant le comportement de l’argon en présence d’un champ électrique. Une recherche de WIMP de faible masse effectuée avec les données DarkSide-50 est également présentée. Cette recherche porte sur le signal d'ionisation du TPC, conduisant à un seuil de détection beaucoup plus bas qu’en utilisant la scintillation. Les limites d'exclusion atteintes figurent parmi les meilleures pour des masses de WIMPs entre 2 et 6 GeV/c2 et sont les plus strictes pour une cible d'argon liquide. Enfin, une recherche préliminaire d'axions est présentée. Les axions sont un candidat alternatif à la matière noire, proposés comme solution au « problème CP fort ». Ils sont détectables dans DarkSide via leur couplage aux électrons. Cette recherche nécessitait l'amélioration de la modélisation des sources de fond en prenant en compte les effets atomiques dans les spectres d'émission bêta, ainsi qu'une redéfinition de l'échelle d'énergie convertissant l'énergie déposée dans l’argon en un certain nombre d'électrons extraits. Les résultats présentés montrent une sensibilité encourageante aux axions solaires et galactiques.

The existence of dark matter is known because of its gravitational effects, and although its nature remains undisclosed, one of the leading candidate is the weakly interacting massive particle (WIMP) with mass of the order of 100 GeV/c2 and coupling with ordinary matter at or below the weak scale. In this context, DarkSide-50 aims to direct observe WIMP-nucleon collisions in a liquid argon dual phase time-projection chamber located deep underground at Gran Sasso National Laboratory, in Italy. This work first details the argon calibration realised by the ARIS experiment. ARIS characterised the argon response to low energy nuclear and electronic recoils, down to unprecedented energies. The nuclear quenching was measured with the best precision to this date, and the recombination probability extracted was compared to different models describing the behaviour of argon in presence of an electric field. A search for low mass WIMPs performed with DarkSide-50 data is also presented. This search focuses on the ionisation signal from the TPC, leading much to much lower detection threshold. The achieved exclusion limits are amongst the leading ones, and the most stringent for a liquid argon target. Finally a preliminary search for axions is presented. Axions are an alternative candidate to dark matter, proposed as a solution to the strong CP problem. They are detectable in DarkSide via their coupling to electrons. This search required the improvement of the modelling of the background sources, by taking into account atomic effects in beta emission spectra, as well as a redefinition of the energy scale converting the energy deposited into a number of extracted electrons. The results presented show an encouraging sensitivity to both solar and galactic axions.; L'existence de la matière noire est connue en raison de ses effets gravitationnels et, bien que sa nature reste inconnue, un des candidats principaux est une particule massive interagissant faiblement (WIMP) ayant une masse de l'ordre de 100 GeV/c2 et un couplage avec la matière ordinaire à ou en dessous de l'échelle faible. Dans ce contexte, DarkSide-50 cherche à observer des collisions WIMP-nucléon dans une chambre de projection temporelle à double phase d'argon liquide située dans le sous-sol du Laboratoire National du Gran Sasso (LNGS), en Italie. Le travail présenté ici porte d'abord sur une étude de la réponse de l'argon aux reculs nucléaires et électroniques à basse énergie, réalisée par l’expérience ARIS. Le quenching nucléaire a été mesuré avec la meilleure précision à cette date et la probabilité de recombinaison a été comparée aux différents modèles décrivant le comportement de l’argon en présence d’un champ électrique. Une recherche de WIMP de faible masse effectuée avec les données DarkSide-50 est également présentée. Cette recherche porte sur le signal d'ionisation du TPC, conduisant à un seuil de détection beaucoup plus bas qu’en utilisant la scintillation. Les limites d'exclusion atteintes figurent parmi les meilleures pour des masses de WIMPs entre 2 et 6 GeV/c2 et sont les plus strictes pour une cible d'argon liquide. Enfin, une recherche préliminaire d'axions est présentée. Les axions sont un candidat alternatif à la matière noire, proposés comme solution au « problème CP fort ». Ils sont détectables dans DarkSide via leur couplage aux électrons. Cette recherche nécessitait l'amélioration de la modélisation des sources de fond en prenant en compte les effets atomiques dans les spectres d'émission bêta, ainsi qu'une redéfinition de l'échelle d'énergie convertissant l'énergie déposée dans l’argon en un certain nombre d'électrons extraits. Les résultats présentés montrent une sensibilité encourageante aux axions solaires et galactiques.

The Standard Model of particle physics is the framework that describes all known phenomenaand interactions between elementary particles. It has proven to give outstanding results overthe years and was succesfully completed with the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in2012 by the ATLAS and CMS collaborations at CERN. However, several observations escape itsreach: the matter-antimatter asymmetry, the nature of Dark Matter or the quantization of theelectric charge. These are all examples of measured facts not explained by the Standard Modelformalism and that call for an extension to a Beyond the Standard Model (BSM) theory. In thisthesis, we have looked for evidence of new physics using proton-proton collision data producedby CERN’s Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV. Collected from2016 to 2018 by the CMS detector, it corresponds to an integrated luminosity of 136/fb .Afteran introduction to the theoretical context and the experimental tools, two analyses are presented.The first one is a search for Dark Matter particles recoiling against a jet and leaving the detectorunnoticed. With this ”monojet” analysis, we are able to exclude mediator masses up to 1.8TeV, and masses of Dark Matter particles up to 700 GeV. The second analysis is a search forfractionally charged particles. Using the fact that their stopping power is lower than StandardModel particles, we are able to exclude their existence up to masses of 765 GeV for a charge of2/3 e., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

The anisotropic large-scale distribution of matter is made of an extended network of voids delimited by sheets, with filaments at their intersection which together form the cosmic web. Matter that will later form dark matter halos and their galaxies flows towards compact nodes at filaments' intersections and in the process, retains the imprint of the cosmic web. In this thesis, I develop a conditional version of the excursion set theory which, using a model of a large-scale filament, enables me to show that anisotropic environment have an impact on the formation history of dark matter halos. The cosmic web then has a role in the formation of halos and their galaxies. I then build a model that is able to capture the evolution of the cosmic web (halo mergers, but also filament and wall mergers) that can be used to better constrain galaxy formation models. The model predicts that an excess of anisotropic accretion is expected in filaments compared to nodes, so that the formation history of galaxies is biased. The effect of anisotropic accretion on galaxy formation is then studied using hydrodynamical simulations and a novel numerical method tailored to accurately follow the accretion history of the gas. I show that the angular momentum is transported efficiently from the cosmic web down to the inner halo, where gravitational torques redistribute it to the disk and the inner halo.; À grande échelle, la distribution anisotrope de la matière forme un large réseau de vides délimités par des murs qui, avec les filaments présents à leurs intersections, tissent la toile cosmique. La matière qui doit former plus tard les halos de matière noire et leurs galaxies afflue vers les nœuds compacts se situant à l’intersection des filaments et garde dans ce processus une empreinte de la toile cosmique. Dans cette thèse, je développe une extension contrainte de la théorie de l’excursion qui, à l'aide d'un modèle de filament, me permet de montrer que l'environnement anisotrope a un effet sur l'histoire de formation des halos de matière noire. La toile cosmique a donc un rôle dans la formation des halos et de leurs galaxies. Dans un second temps, je construis un modèle qui décrit l'évolution de la toile cosmique (fusion de halos, mais aussi de filaments et de murs) afin de mieux contraindre les modèles de formation de galaxies. Le modèle prédit un excès d'accrétion anisotrope dans les filaments par rapports aux nœuds, biaisant ainsi la formation des galaxies. L'effet de l'accrétion anisotrope sur la formation des galaxies est ensuite étudié à l'aide de simulations hydrodynamiques et d'une nouvelle méthode permettant le suivi précis de l'histoire d'accrétion du gaz. J'y montre que le moment angulaire est transporté efficacement des grandes échelles de la toile cosmique jusque dans les zones internes du halo, où les couples gravitationnels le redistribue au disque de la galaxies et au halo interne.

Studying the large-scale structure of the universe is one of the most important elements to understand the origin and evolution of the universe. Galaxy clusters which formed from gravitational collapses in the cosmic density field are the largest gravitationally bound structures. Using the two-point correlation we can quantify the clustering of galaxy clusters in both spatial and angular scales. Many galaxy surveys have been carried out for similar purpose. The Planck Sunyaev-Zel’dovich (SZ) cluster catalog contains sources detected through the SZ effect from the 29-month full sky Planck mission. This is the largest SZ cluster catalog and it covers about 85% of the sky. In this thesis, we investigate the angular two-point correlation function w(��) of the Planck SZ cluster catalog. We obtained an indication of clustering signal of Planck clusters with redshift smaller than 0.4 and signal-to-noise ratio SNR ≥ 6. We detected a significant clustering signal of clusters with redshift z < 0.2 and SNR ≥ 6. The correlation of Planck SZ clusters turns out quite compatible with our prediction. We also explore the potential of the two-point correlation function ξ(r) of the Euclid Flagship simulation dark matter halo catalog. Euclid is a space mission under development to study dark energy and dark matter by measuring the accelerated expansion of the universe. We found that the correlation of Flagship simulation dark matter halos evolves with redshift. On scales less than 60 h-1 Mpc, the correlation of dark matter halo is well fitted by a power law with a correlation length from 16 to 19 h−1 Mpc depending on the redshift. We also found the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO) signature in the groups with redshift z > 0.2. Furthermore, we found the halo bias, which can be used as a tracer of dark matter and which also evolves with redshift. Finally, we also show the results of the validation of external simulation data in the context of Science Challenge 3 of Euclid consortium. In this part, we present methods to measure the photometry, the astronomical tools to measure astrometry, extract objects from astronomical image.; L'étude de la structure à grande échelle de l'univers est l'un des éléments les plus importants pour comprendre l'origine et l'évolution de l'Univers. Les amas de galaxies qui se sont formés à partir d'effondrements gravitationnels dans le champ de densité cosmique sont les plus grandes structures gravitationnelles liées. En utilisant la corrélation à deux points, nous pouvons quantifier le regroupement des galaxies aux échelles spatiale et angulaire. Le catalogue d’amas de la mission Planck contient des sources détectées par l'effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ) pendant les 29 mois d’observation de la mission. C'est le plus grand catalogue d’amas SZ existant. Il couvre environ 85% du ciel. Dans cette thèse, nous étudions la fonction de corrélation angulaire à deux points w (thêta) de ce catalogue. Nous avons obtenu une indication d’un signal de regroupement des amas de Planck avec décalage vers le rouge inférieur à 0,4 et un rapport signal sur bruit SNR ≥ 6. Nous avons aussi détecté significatif pour un décalage vers le rouge z 0,2. Enfin, nous montrons également, dans le contexte du défi scientifique 3 du consortium Euclid, les résultats de la validation de données de simulations des données externes nécessaires à Euclid. Dans cette partie, nous présentons des méthodes pour mesurer la photométrie, des outils astronomiques pour mesurer l'astrométrie, extraire des objets d'une image astronomique.

Studying the large-scale structure of the universe is one of the most important elements to understand the origin and evolution of the universe. Galaxy clusters which formed from gravitational collapses in the cosmic density field are the largest gravitationally bound structures. Using the two-point correlation we can quantify the clustering of galaxy clusters in both spatial and angular scales. Many galaxy surveys have been carried out for similar purpose. The Planck Sunyaev-Zel’dovich (SZ) cluster catalog contains sources detected through the SZ effect from the 29-month full sky Planck mission. This is the largest SZ cluster catalog and it covers about 85% of the sky. In this thesis, we investigate the angular two-point correlation function w(��) of the Planck SZ cluster catalog. We obtained an indication of clustering signal of Planck clusters with redshift smaller than 0.4 and signal-to-noise ratio SNR ≥ 6. We detected a significant clustering signal of clusters with redshift z < 0.2 and SNR ≥ 6. The correlation of Planck SZ clusters turns out quite compatible with our prediction. We also explore the potential of the two-point correlation function ξ(r) of the Euclid Flagship simulation dark matter halo catalog. Euclid is a space mission under development to study dark energy and dark matter by measuring the accelerated expansion of the universe. We found that the correlation of Flagship simulation dark matter halos evolves with redshift. On scales less than 60 h-1 Mpc, the correlation of dark matter halo is well fitted by a power law with a correlation length from 16 to 19 h−1 Mpc depending on the redshift. We also found the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO) signature in the groups with redshift z > 0.2. Furthermore, we found the halo bias, which can be used as a tracer of dark matter and which also evolves with redshift. Finally, we also show the results of the validation of external simulation data in the context of Science Challenge 3 of Euclid consortium. In this part, we present methods to measure the photometry, the astronomical tools to measure astrometry, extract objects from astronomical image.; L'étude de la structure à grande échelle de l'univers est l'un des éléments les plus importants pour comprendre l'origine et l'évolution de l'Univers. Les amas de galaxies qui se sont formés à partir d'effondrements gravitationnels dans le champ de densité cosmique sont les plus grandes structures gravitationnelles liées. En utilisant la corrélation à deux points, nous pouvons quantifier le regroupement des galaxies aux échelles spatiale et angulaire. Le catalogue d’amas de la mission Planck contient des sources détectées par l'effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ) pendant les 29 mois d’observation de la mission. C'est le plus grand catalogue d’amas SZ existant. Il couvre environ 85% du ciel. Dans cette thèse, nous étudions la fonction de corrélation angulaire à deux points w (thêta) de ce catalogue. Nous avons obtenu une indication d’un signal de regroupement des amas de Planck avec décalage vers le rouge inférieur à 0,4 et un rapport signal sur bruit SNR ≥ 6. Nous avons aussi détecté significatif pour un décalage vers le rouge z 0,2. Enfin, nous montrons également, dans le contexte du défi scientifique 3 du consortium Euclid, les résultats de la validation de données de simulations des données externes nécessaires à Euclid. Dans cette partie, nous présentons des méthodes pour mesurer la photométrie, des outils astronomiques pour mesurer l'astrométrie, extraire des objets d'une image astronomique.

For more than eighty years, we face evidence that about 26% of the energy budget of the universe today is in the form of dark matter, whose interaction with ordinary matter is felt only gravitationally. Along with massive neutrinos, the existence of dark matter particles (DM) indicate that we must extend the standard model of particle physics (SM) in order to account for them. In this thesis, we explore the close relationship between the nature of couplings connecting DM to the SM sector and the production of the DM relic density in the Early Universe. We start by considering the most predictive class of DM candidates, the weakly interacting massive particles (WIMPs). Their masses and couplings are comparable to the SM ones, which ensure that both sectors were once in thermal equilibrium and automatically render the DM relic density within the inferred range -- the so-called "WIMP miracle". The current experimental bounds push the viable parameter space of WIMP models to complex corners, making necessary to add extra particles in the dark sector and to check the decoupling condition more carefully. After reviewing the phenomenological status of a comprehensive spectrum of models for WIMPs with masses in the range 10-10⁴ GeV, we consider the challenging phenomenology of an MeV DM in a Z' portal model. Besides seeking to improve the search for WIMPs, it is worth considering the case in which DM and SM interact so feebly that they had never reached equilibrium. Feebly interacting massive particles (FIMPs) are DM candidates produced from the SM thermal bath in out-of-equilibrium processes, a mechanism called freeze-in. We show that if heavy fields (10¹⁰-10¹⁶ GeV) mediate the DM-SM interactions, the freeze-in is a natural possibility that provide the right amount of DM in the universe without the need of extremely small gauge, yukawa or quartic couplings. Such heavy fields are actually needed in theoretically well motivated high-energy scenarios like for instance GUT, seesaw, leptogenesis and inflation -- we call this interesting coincidence the "FIMP wonder". We explore different realizations of such possibility, with models involving moduli, fermions, gauge bosons and spin-2 fields as heavy mediators. We finally show in which cases the DM production during reheating have impact on the parameter space of such models.; Cela fait plus de 80 ans que nous avons des preuves qu'environ 26% de la densité d'énergie de l'univers actuel se présente sous la forme de matière noire, qui interagit avec la matière ordinaire strictement par gravitation. Avec les neutrinos massifs, l’existence de particules de matière noire (DM) indique qu’il faut étendre le modèle standard de la physique des particules (SM) pour en tenir compte. Dans cette thèse, nous explorons la relation étroite entre la nature des couplages reliant la DM aux particules du SM et la production de l'abondance de la DM dans l'univers primordial. Nous commençons par examiner la classe la plus prédictive de candidats DM, les particules massives à interaction faible (WIMP). Leurs masses et couplages sont comparables à ceux du SM, et donc les deux secteurs ont déjà été en équilibre thermique, et l'abondance de DM respecte automatiquement les limites cosmologiques -- le "miracle WIMP". Les limites expérimentales actuelles repoussent l'espace paramétrique viable des modèles WIMP vers des limites complexes, rendant nécessaire l'ajout de particules supplémentaires dans le secteur sombre et la vérification plus précise de la condition de découplage. Après avoir considéré le statut phénoménologique d'une gamme significative de modèles pour les WIMP avec des masses dans l'intervalle 10-10⁴ GeV, nous examinons la phénoménologie d'une DM sur l'échelle MeV dans un modèle de portail Z'. En plus de chercher à améliorer la recherche de WIMPs, il convient de considérer le cas dans lequel DM et SM interagissent si faiblement qu’ils n’ont jamais atteint l’équilibre. Les particules massives à interaction faible (FIMP) sont des candidats DM produits à partir du SM dans des processus hors d'équilibre, un mécanisme appelé freeze-in. Nous montrons que si des champs lourds (10¹⁰-10¹⁶ GeV) interviennent dans les interactions DM-SM, le freeze-in est une possibilité naturelle qui fournit la bonne abondance de DM sans qu'il soit nécessaire d'imposer couplages extrêmement petits. Ces champs lourds sont en fait nécessaires dans des scénarios à hautes énergies théoriquement bien motivés tels que le GUT, le see-saw, la leptogénèse et l’inflation -- nous appelons cette coïncidence intéressante la "merveille FIMP". Nous explorons différentes réalisations de cette possibilité, avec des modèles impliquant des moduli, fermions, bosons de jauge et champs de spin-2 comme les médiateurs lourds. Nous montrons enfin dans quels cas la production de DM pendant le reheating après inflation a un impact sur l’espace paramétrique de tels modèles.

For more than eighty years, we face evidence that about 26% of the energy budget of the universe today is in the form of dark matter, whose interaction with ordinary matter is felt only gravitationally. Along with massive neutrinos, the existence of dark matter particles (DM) indicate that we must extend the standard model of particle physics (SM) in order to account for them. In this thesis, we explore the close relationship between the nature of couplings connecting DM to the SM sector and the production of the DM relic density in the Early Universe. We start by considering the most predictive class of DM candidates, the weakly interacting massive particles (WIMPs). Their masses and couplings are comparable to the SM ones, which ensure that both sectors were once in thermal equilibrium and automatically render the DM relic density within the inferred range -- the so-called "WIMP miracle". The current experimental bounds push the viable parameter space of WIMP models to complex corners, making necessary to add extra particles in the dark sector and to check the decoupling condition more carefully. After reviewing the phenomenological status of a comprehensive spectrum of models for WIMPs with masses in the range 10-10⁴ GeV, we consider the challenging phenomenology of an MeV DM in a Z' portal model. Besides seeking to improve the search for WIMPs, it is worth considering the case in which DM and SM interact so feebly that they had never reached equilibrium. Feebly interacting massive particles (FIMPs) are DM candidates produced from the SM thermal bath in out-of-equilibrium processes, a mechanism called freeze-in. We show that if heavy fields (10¹⁰-10¹⁶ GeV) mediate the DM-SM interactions, the freeze-in is a natural possibility that provide the right amount of DM in the universe without the need of extremely small gauge, yukawa or quartic couplings. Such heavy fields are actually needed in theoretically well motivated high-energy scenarios like for instance GUT, seesaw, leptogenesis and inflation -- we call this interesting coincidence the "FIMP wonder". We explore different realizations of such possibility, with models involving moduli, fermions, gauge bosons and spin-2 fields as heavy mediators. We finally show in which cases the DM production during reheating have impact on the parameter space of such models.; Cela fait plus de 80 ans que nous avons des preuves qu'environ 26% de la densité d'énergie de l'univers actuel se présente sous la forme de matière noire, qui interagit avec la matière ordinaire strictement par gravitation. Avec les neutrinos massifs, l’existence de particules de matière noire (DM) indique qu’il faut étendre le modèle standard de la physique des particules (SM) pour en tenir compte. Dans cette thèse, nous explorons la relation étroite entre la nature des couplages reliant la DM aux particules du SM et la production de l'abondance de la DM dans l'univers primordial. Nous commençons par examiner la classe la plus prédictive de candidats DM, les particules massives à interaction faible (WIMP). Leurs masses et couplages sont comparables à ceux du SM, et donc les deux secteurs ont déjà été en équilibre thermique, et l'abondance de DM respecte automatiquement les limites cosmologiques -- le "miracle WIMP". Les limites expérimentales actuelles repoussent l'espace paramétrique viable des modèles WIMP vers des limites complexes, rendant nécessaire l'ajout de particules supplémentaires dans le secteur sombre et la vérification plus précise de la condition de découplage. Après avoir considéré le statut phénoménologique d'une gamme significative de modèles pour les WIMP avec des masses dans l'intervalle 10-10⁴ GeV, nous examinons la phénoménologie d'une DM sur l'échelle MeV dans un modèle de portail Z'. En plus de chercher à améliorer la recherche de WIMPs, il convient de considérer le cas dans lequel DM et SM interagissent si faiblement qu’ils n’ont jamais atteint l’équilibre. Les particules massives à interaction faible (FIMP) sont des candidats DM produits à partir du SM dans des processus hors d'équilibre, un mécanisme appelé freeze-in. Nous montrons que si des champs lourds (10¹⁰-10¹⁶ GeV) interviennent dans les interactions DM-SM, le freeze-in est une possibilité naturelle qui fournit la bonne abondance de DM sans qu'il soit nécessaire d'imposer couplages extrêmement petits. Ces champs lourds sont en fait nécessaires dans des scénarios à hautes énergies théoriquement bien motivés tels que le GUT, le see-saw, la leptogénèse et l’inflation -- nous appelons cette coïncidence intéressante la "merveille FIMP". Nous explorons différentes réalisations de cette possibilité, avec des modèles impliquant des moduli, fermions, bosons de jauge et champs de spin-2 comme les médiateurs lourds. Nous montrons enfin dans quels cas la production de DM pendant le reheating après inflation a un impact sur l’espace paramétrique de tels modèles.

The H.E.S.S. (High Energy Spectroscopic System) experiment is an array of five Cherenkov telescopes that observe the sky in gamma-rays from about 100 GeV up to several ten TeV.Gamma rays are produced in violent non-thermal phenomena in the Universe in the neighborhood of pulsars, supernovae, black holes, ..., and could also be produced by the annihilation of dark matter particles.Numerous cosmological and astrophysical probes suggest that 85% of the total matter budget in the Universe is of unknown origin. This component of matter known as dark matter is non baryonic and could consist of yet undiscovered particles which privileged candidates are arguably massive particles with electroweak couplings with ordinary matter (WIMPs).Dark matter particles may annihilate into Standard Model particles in dense regions of the Universe. Among the annihilation products are photons which detection at high energy with ground-based Cherenkov telescopes could bring unique information on the nature of the dark matter.H.E.S.S. observes dark-matter-dense regions of the sky such as the Galactic Center and dwarf galaxy satellites of the Milky Way. A study on the interpretation of an excess of gamma-rays detected by H.E.S.S. at the Galactic Center in terms of acceleration of protons by a population of unresolved millisecond pulsars is performed.10 years of observations of the Galactic Center with the four-telescope H.E.S.S.-I array, five years of data taking towards the Galactic Center region with the full H.E.S.S.-II array and a two-years dataset towards newly discovered dwarf spheroidal galaxies are analyzed. The search for dark matter annihilation signals towards these targets provided the strongest limits so far on dark matter annihilation cross section in gamma rays of TeV energies. The potential of dark matter detection with the upcoming Cherenkov Telescope Array (CTA) towards the inner Galactic halo are studied. They may annihilate into Standard Model particles in dense regions of the Universe. Among the annihilation products are high energy photons. The detection of these photons with ground-based Cherenkov telescopes may reveal the nature of the dark matter. H.E.S.S. have observed some dark-matter-dense regions of the sky likethe Galactic Center and dwarf galaxies satellites of the Milky Way. In this work 10 years of observations of the Galactic Center with the four-telescopes H.E.S.S.-I array, five years of data taking towards the Galactic Center region with the full H.E.S.S.-II array and a two-years dataset towards newly discovered dwarf spheroidal galaxies are analyzed. The searches for dark matter annihilation signals towards these targets produced the strongest limits so far on dark matter annihilation cross section in gamma rays of TeV energies.Perspectives of dark matter detection with the future array CTA (Cherenkov Telescope Array) towards the inner Galactic halo are also discussed. A study on the interpretation of an excess of gamma-rays detected by H.E.S.S. at the Galactic Center in terms of acceleration of protons by a population of unresolved millisecond pulsars complements the dark matter searches., L’expérience H.E.S.S. (High Energy Spectroscopic System) composée de cinq télescopes Tcherenkov observe le ciel en rayons gamma au-delà d'une centaine de GeV jusqu'à plusieurs dizaines de TeV. Les rayons gamma sont produits par des phénomènes non-thermiques parmi les plus violents dans l'univers au voisinage d'objets astrophysique comme les pulsars, supernovae ou trous noirs, mais pourraient être également produits par l'annihilation de particules de matière noire.De nombreuses sondes cosmologiques et astrophysiques suggèrent que 85% de la matière dans l'Univers est d'origine inconnue. Cette matière appelée matière noire, de nature non baryonique, serait constituée de particules non encore découvertes dont les candidats privilégiés seraient des particules massives interagissant faiblement (WIMPs) avec la matière ordinaire, particules prédites au-delà du Modèle Standard de la physique des particules.Des particules de matière noire peuvent s'annihiler en particules du Modèle Standard dans les régions denses de l'Univers. Parmi les produits d'annihilations se trouvent les photons dont la détection à hautes énergies par des télescopes au sol à effet Tcherenkov pourrait apporter des informations uniques sur la nature de la matière noire.H.E.S.S. observe des régions du ciel dense en matière noire comme le Centre Galactique et des galaxies naines satellites de la Voie Lactée.Une interprétation d'un excès de rayons gamma détecté au Centre Galactique par H.E.S.S. en termes d’accélération de protons par une population de pulsars millisecondes est présenté.10 ans d'observations du Centre Galactique avec le réseau H.E.S.S. I de quatre télescopes, cinq ans de prise de données vers la région du Centre Galactique avec le réseau complet H.E.S.S. II, et un jeu de deux ans de données vers des galaxies naines découvertes récemment sont analysés. Les recherches de signaux d'annihilation de matière noire vers ces cibles ont produit les limites plus fortes à présent sur la section efficace d'annihilation de matière noire dans la plage en masse du TeV. Le potentiel de détection de matière noire avec le futur réseau de télescopes CTA (Cherenkov Telescope Array) vers la région central du halo Galactique est étudiés.

A search for dark matter production in association with a Higgs boson decaying to b-quarks is performed using pp collisions at a centre-of-mass energy of √s=13TeV. The dataset has an integrated luminosity of 80fb−1 and was recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Selected collision events comprise large missing transverse momentum and either two b-tagged small radius jets or a single large radius jet containing two b-tagged subjets. The identification of these subjects is based on a jet algorithm where the radius parameter is shrinked as the transverse momentum increases. Also, with the help of a novel reconstruction technique, the object-based missing transverse momentum significance, it is shown that background coming from pure strong interactions can be successfully rejected. The results are interpreted in the context of a simplified model (Z′-2HDM) which describes the interaction of dark matter and standard model particles via new heavy mediator particles. Also model independent limits on the fiducial cross-section for Higgs + missing transverse momentum production are provided., Une recherche de la production de matière noire associée à un boson de Higgs se décomposant en b-quarks est effectuée à l'aide de collisions pp à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV. L'ensemble de données a une luminosité intégrée de 80fb − 1 et a été enregistré avec le détecteur ATLAS du grand collisionneur de hadrons. Les événements de collision sélectionnés comprennent un grand moment transversal manquant et deux jets à petit rayon marqués b ou un seul jet à grand rayon contenant deux sujets marqués b. L'identification de ces sujets est basée sur un algorithme de jet dans lequel le paramètre de rayon est réduit à mesure que le moment transversal augmente. De plus, avec l'aide d'une nouvelle technique de reconstruction, l'absence de signification de la quantité de mouvement transversale manquante basée sur les objets, il est démontré que le fond provenant d'interactions fortes pures peut être rejeté avec succès. Les résultats sont interprétés dans le contexte d'un modèle simplifié (Z′-2HDM) décrivant l'interaction de la matière noire et des particules du modèle standard via de nouvelles particules lourdes de médiateur. Des limites indépendantes du modèle sur la section transversale de référence pour la production manquante de quantité de mouvement transverse de Higgs + sont également fournies.

Many astrophysical and cosmological observations lead to postulate the existence of an unknown matter, called dark matter. Ordinary matter can explain only 5 % of the energy content of the Universe : the main components would be the dark energy (70 %) and dark matter (25 %). This latter is invisible and manifest itself only via its gravitational effects. Several particles, grouped under the generic term of WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), could correspond to this theory and are actively searched. Many experiments have been developed for this purpose and are based on three strategies: the production of these particles with colliders, the observation of the particles produced by their annihilation in astrophysical objects or the direct detection of these particles via their interaction with the nucleus of the atoms constituent of a detector. It is on this last method that the EDELWEISS experiment is based. It is a dark matter direct detection experiment dedicated to the search for WIMP with masses between 1 GeV and 1 TeV. Its primary purpose is to detect nuclear recoils induced by elastic scattering of dark matter particles in detectors. Since the expected event rates < 10 /(kg.year) are several orders of magnitude lower than those induced by ambient radioactivity, a double measurement of ionization and heat is used to discriminate electron-induced recoils arising from β and γ interactions from WIMP-induced nuclear recoils. In addition, the experiment was placed underground to guard against cosmic radiation, inducing events in the detectors. These are germanium bolometers, called FID, cooled to cryogenic temperatures (18 mK) and operating at low field (1 V/cm). Since 2015, the new strategy of the experiment consists of focusing on WIMPs with mass below 10 GeV, an interessant research area where experiments using cryogenic detectors can exploit their ability to operate with experimental thresholds well below 1 keV. The operation of the experiment has been improved to achieve this goal. The aim of this thesis is to analyze the data set recorded by EDELWEISS in 2015 and 2016. These used the FID detectors subjected to a greater electric field than previously to improve their sensitivity. It is expected that the limit on the spin-independent WIMP-nucleon crosssection extracted from these data will be greatly impacted by a dominant background, called heat-only events. That is why they are studied in detail in this work. They are characterized by a rise in heat seen by thermal sensors without any ionization signal on the collecting electrodes. This study resulted in to highlight a model for these events that can be used in the WIMP search analyses. Following these results, a maximum likelihood analysis was constructed. This method of analysis makes it possible to statistically subtract the background noise from the experiment by exploiting the difference between the energy spectra of signal and backgrounds. In this way, limits on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section are obtained. They will be compared to the results of other experiments, De nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques tendent à prouver que la matière ordinaire (dite baryonique) ne constituerait qu'environ 5 % du contenu énergétique de l'Univers. Les principales composantes de celui-ci seraient l'énergie noire (à 70 %) ainsi que la matière noire (à 25 %). Cette dernière serait invisible et seuls ses effets gravitationnels traduiraient sa présence dans l'Univers. Plusieurs particules, regroupées sous le terme générique de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), pourraient correspondre à cette théorie et sont activement recherchées. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été développés dans ce but et s'appuyent sur les stratégies suivantes : la production de ces particules au sein de collisionneurs, l'observation de particules produites via l'annihilation de WIMP ou encore la détection directe de ces particules via leur interaction avec le noyau des atomes constitutifs d'un détecteur. C'est sur cette dernière méthode que s'appuie l'expérience EDELWEISS. Il s'agit d'une expérience de détection directe de matière noire dédiée à la recherche de WIMP de masse comprise entre 1 GeV et 1 TeV. Son but premier est de détecter les reculs nucléaires induits par la diffusion élastique de particule de matière noire dans les détecteurs. Les taux d'événements attendus < 10 /(kg.an) étant de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux induits par la radioactivité ambiante, une double mesure de l'ionisation et de la chaleur est employée pour discriminer les reculs électroniques induits par les bruits de fonds β et γ des reculs nucléaires induits par les WIMPs. De plus, l'expérience a été placée en site souterrain pour se prémunir des rayonnements cosmiques, induisant des événements dans les détecteurs. Ceux utilisés par l'expérience sont des bolomètres en germanium, appelés FID, refroidis à des températures cryogéniques (18 mK) et opérant à bas champ (1 V/cm). Depuis 2015, la nouvelle stratégie de l'expérience consiste à se focaliser sur les WIMPs de masse inférieure à 10 GeV, zone de recherche privilégiée pour les expériences utilisant des détecteurs cryogéniques. Le fonctionnement de l'expérience a donc été amélioré afin d'atteindre cet objectif.Le but de cette thèse consiste à analyser les campagnes de données de l'expérience, effectuées en 2015 et 2016. Celles-ci utilisaient les détecteurs FID soumis à un champ électrique plus important que précédemment afin d'améliorer leur sensibilité. La limite extraite à partir de ces données s'appuie sur la statistique de Poisson et a permis de mettre en évidence que le bruit de fond dominant de l'expérience à basse énergie impacte grandement les résultats. C'est pourquoi une étude de ces événements, appelés heat-only, a été réalisée. Ceux-ci se caractérisent par une élévation de chaleur vue par les senseurs thermiques sans que les électrodes du détecteur ne mesurent d'ionisation en son sein. Une étude de ce bruit de fond a été réalisée et a permis de mettre en évidence la possibilité de modéliser ces événements. Suite à ces résultats, une analyse par maximum de vraisemblance a été construite. Cette méthode d'analyse permet de soustraire de manière statistique les bruits de fond de l'expérience grâce à leurs spectres en énergie différents de ceux attendus pour un signal de matière noire. De cette façon, une limite sur la section efficace des WIMP a été calculée en utilisant pour la première fois des détecteurs FID soumis à des champs électriques supérieurs aux valeurs utilisées jusqu'à présent

Many astrophysical and cosmological observations lead to postulate the existence of an unknown matter, called dark matter. Ordinary matter can explain only 5 % of the energy content of the Universe : the main components would be the dark energy (70 %) and dark matter (25 %). This latter is invisible and manifest itself only via its gravitational effects. Several particles, grouped under the generic term of WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), could correspond to this theory and are actively searched. Many experiments have been developed for this purpose and are based on three strategies: the production of these particles with colliders, the observation of the particles produced by their annihilation in astrophysical objects or the direct detection of these particles via their interaction with the nucleus of the atoms constituent of a detector. It is on this last method that the EDELWEISS experiment is based. It is a dark matter direct detection experiment dedicated to the search for WIMP with masses between 1 GeV and 1 TeV. Its primary purpose is to detect nuclear recoils induced by elastic scattering of dark matter particles in detectors. Since the expected event rates < 10 /(kg.year) are several orders of magnitude lower than those induced by ambient radioactivity, a double measurement of ionization and heat is used to discriminate electron-induced recoils arising from β and γ interactions from WIMP-induced nuclear recoils. In addition, the experiment was placed underground to guard against cosmic radiation, inducing events in the detectors. These are germanium bolometers, called FID, cooled to cryogenic temperatures (18 mK) and operating at low field (1 V/cm). Since 2015, the new strategy of the experiment consists of focusing on WIMPs with mass below 10 GeV, an interessant research area where experiments using cryogenic detectors can exploit their ability to operate with experimental thresholds well below 1 keV. The operation of the experiment has been improved to achieve this goal. The aim of this thesis is to analyze the data set recorded by EDELWEISS in 2015 and 2016. These used the FID detectors subjected to a greater electric field than previously to improve their sensitivity. It is expected that the limit on the spin-independent WIMP-nucleon crosssection extracted from these data will be greatly impacted by a dominant background, called heat-only events. That is why they are studied in detail in this work. They are characterized by a rise in heat seen by thermal sensors without any ionization signal on the collecting electrodes. This study resulted in to highlight a model for these events that can be used in the WIMP search analyses. Following these results, a maximum likelihood analysis was constructed. This method of analysis makes it possible to statistically subtract the background noise from the experiment by exploiting the difference between the energy spectra of signal and backgrounds. In this way, limits on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section are obtained. They will be compared to the results of other experiments; De nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques tendent à prouver que la matière ordinaire (dite baryonique) ne constituerait qu'environ 5 % du contenu énergétique de l'Univers. Les principales composantes de celui-ci seraient l'énergie noire (à 70 %) ainsi que la matière noire (à 25 %). Cette dernière serait invisible et seuls ses effets gravitationnels traduiraient sa présence dans l'Univers. Plusieurs particules, regroupées sous le terme générique de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), pourraient correspondre à cette théorie et sont activement recherchées. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été développés dans ce but et s'appuyent sur les stratégies suivantes : la production de ces particules au sein de collisionneurs, l'observation de particules produites via l'annihilation de WIMP ou encore la détection directe de ces particules via leur interaction avec le noyau des atomes constitutifs d'un détecteur. C'est sur cette dernière méthode que s'appuie l'expérience EDELWEISS. Il s'agit d'une expérience de détection directe de matière noire dédiée à la recherche de WIMP de masse comprise entre 1 GeV et 1 TeV. Son but premier est de détecter les reculs nucléaires induits par la diffusion élastique de particule de matière noire dans les détecteurs. Les taux d'événements attendus < 10 /(kg.an) étant de plusieurs ordres de grandeur inférieurs à ceux induits par la radioactivité ambiante, une double mesure de l'ionisation et de la chaleur est employée pour discriminer les reculs électroniques induits par les bruits de fonds β et γ des reculs nucléaires induits par les WIMPs. De plus, l'expérience a été placée en site souterrain pour se prémunir des rayonnements cosmiques, induisant des événements dans les détecteurs. Ceux utilisés par l'expérience sont des bolomètres en germanium, appelés FID, refroidis à des températures cryogéniques (18 mK) et opérant à bas champ (1 V/cm). Depuis 2015, la nouvelle stratégie de l'expérience consiste à se focaliser sur les WIMPs de masse inférieure à 10 GeV, zone de recherche privilégiée pour les expériences utilisant des détecteurs cryogéniques. Le fonctionnement de l'expérience a donc été amélioré afin d'atteindre cet objectif.Le but de cette thèse consiste à analyser les campagnes de données de l'expérience, effectuées en 2015 et 2016. Celles-ci utilisaient les détecteurs FID soumis à un champ électrique plus important que précédemment afin d'améliorer leur sensibilité. La limite extraite à partir de ces données s'appuie sur la statistique de Poisson et a permis de mettre en évidence que le bruit de fond dominant de l'expérience à basse énergie impacte grandement les résultats. C'est pourquoi une étude de ces événements, appelés heat-only, a été réalisée. Ceux-ci se caractérisent par une élévation de chaleur vue par les senseurs thermiques sans que les électrodes du détecteur ne mesurent d'ionisation en son sein. Une étude de ce bruit de fond a été réalisée et a permis de mettre en évidence la possibilité de modéliser ces événements. Suite à ces résultats, une analyse par maximum de vraisemblance a été construite. Cette méthode d'analyse permet de soustraire de manière statistique les bruits de fond de l'expérience grâce à leurs spectres en énergie différents de ceux attendus pour un signal de matière noire. De cette façon, une limite sur la section efficace des WIMP a été calculée en utilisant pour la première fois des détecteurs FID soumis à des champs électriques supérieurs aux valeurs utilisées jusqu'à présent

One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.; Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard.

The quest for new physics is a challenging task which involves, on the one hand, the search for dark matter particles from space, and on the other hand, the search at colliders for particles predicted by theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry. With the experimental constraints on new particles getting stronger, it becomes crucial to combine the limits from both sectors in order to guide future searches. To this end, it is essential to estimate and take into account correctly the astrophysical, nuclear and cosmological uncertainties, which are most often ignored. The first part of this thesis is dedicated to the study of such uncertainties and to their impact on the constraints applied on supersymmetry. Moreover, we investigate the interplay between the constraints from colliders and dark matter searches in some detail. The second part concerns the development and the implementation in the public code SuperIso Relic of numerical tools for the calculation of direct and indirect dark matter detection constraints which were designed specifically to take correctly into account astrophysical and nuclear uncertainties. Finally, in the third part of this work, we consider the cosmological implications of a hypothetical discovery of new particles at colliders. We show that it would be possible to test the assumptions of the standard cosmological model and to obtain information on the properties of the primordial Universe at an epoch which is beyond observational reach; La quête de la nouvelle physique est un défi impliquant à la fois la recherche de particules de matière noire dans les halos galactiques, et celle, aux collisonneurs, de particules dont l’existence est prédite par des théories au-delà du Modèle Standard, telles que la supersymétrie. Alors que les contraintes expérimentales sur ces particules s’intensifient, il devient capital de combiner les limites provenant de ces deux volets afin de guider la suite des recherches. Pour ce faire, il est indispensable d’évaluer et de tenir compte correctement des incertitudes astrophysiques, cosmologiques et nucléaires, pourtant souvent ignorées. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de ces incertitudes et leur impact sur les contraintes obtenues en supersymétrie, ainsi que la complémentarité entre les contraintes des collisionneurs et de matière noire pour la recherche de nouvelle physique. La deuxième partie est consacrée au développement d’outils de calculs pour les détections directe et indirecte de matière noire, conçus afin de prendre correctement en compte les incertitudes astrophysiques et nucléaires, et à leur implémentation dans le code public SuperIso Relic. Enfin la troisième partie du travail concerne l’étude des implications cosmologiques d’une éventuelle découverte de nouvelles particules aux collisionneurs. Nous avons montré qu’il serait possible de tester les hypothèses du modèle cosmologique standard et d’obtenir des informations sur les propriétés de l’Univers primordial à une époque observationnellement inaccessible

The quest for new physics is a challenging task which involves, on the one hand, the search for dark matter particles from space, and on the other hand, the search at colliders for particles predicted by theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry. With the experimental constraints on new particles getting stronger, it becomes crucial to combine the limits from both sectors in order to guide future searches. To this end, it is essential to estimate and take into account correctly the astrophysical, nuclear and cosmological uncertainties, which are most often ignored. The first part of this thesis is dedicated to the study of such uncertainties and to their impact on the constraints applied on supersymmetry. Moreover, we investigate the interplay between the constraints from colliders and dark matter searches in some detail. The second part concerns the development and the implementation in the public code SuperIso Relic of numerical tools for the calculation of direct and indirect dark matter detection constraints which were designed specifically to take correctly into account astrophysical and nuclear uncertainties. Finally, in the third part of this work, we consider the cosmological implications of a hypothetical discovery of new particles at colliders. We show that it would be possible to test the assumptions of the standard cosmological model and to obtain information on the properties of the primordial Universe at an epoch which is beyond observational reach; La quête de la nouvelle physique est un défi impliquant à la fois la recherche de particules de matière noire dans les halos galactiques, et celle, aux collisonneurs, de particules dont l’existence est prédite par des théories au-delà du Modèle Standard, telles que la supersymétrie. Alors que les contraintes expérimentales sur ces particules s’intensifient, il devient capital de combiner les limites provenant de ces deux volets afin de guider la suite des recherches. Pour ce faire, il est indispensable d’évaluer et de tenir compte correctement des incertitudes astrophysiques, cosmologiques et nucléaires, pourtant souvent ignorées. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de ces incertitudes et leur impact sur les contraintes obtenues en supersymétrie, ainsi que la complémentarité entre les contraintes des collisionneurs et de matière noire pour la recherche de nouvelle physique. La deuxième partie est consacrée au développement d’outils de calculs pour les détections directe et indirecte de matière noire, conçus afin de prendre correctement en compte les incertitudes astrophysiques et nucléaires, et à leur implémentation dans le code public SuperIso Relic. Enfin la troisième partie du travail concerne l’étude des implications cosmologiques d’une éventuelle découverte de nouvelles particules aux collisionneurs. Nous avons montré qu’il serait possible de tester les hypothèses du modèle cosmologique standard et d’obtenir des informations sur les propriétés de l’Univers primordial à une époque observationnellement inaccessible

Tidal stellar streams are pristine star structures that play central role in addressing long standing mysteries of the Galactic archaeology. Since streams are orbital in nature, they inherently possess the characteristics of unravelling the underlying mass distribution of the galaxy, and can be used to probe the shape of the dark matter halo. Besides testing the ‘hierarchical merging’ scenario of galaxy formation, stream gaps can also provide indirect evidence for the existence of dark matter sub-halos (thereby, in principle, constraining the nature of the dark matter particle itself). Due to all these reasons, the dynamical analysis of stellar streams of the Milky Way Galaxy naturally becomes one of the interesting problems. However, the foremost challenge is to detect these structures. During the thesis, STREAMFINDER algorithm (a state of the art algorithm) was designed to systematically process the Gaia dataset (ESA’s novel astrophysical catalogue containing unprecedented astrometric solutions of over 1.6 billion stars) for the detection of the stellar streams of the Milky Way. This hefty endeavour led to the detection of 10 high confidence stream structures, of which 5 were reported as new discoveries.This harvest of structures also facilitated, for the first time, creation of a panoramic structural and kinematic map of the stellar streams of the Milky Way halo, taking our community a step further in unravelling the complex formation history of our Galaxy. This project was instantly followed by the orbital analysis of one of the detected streams (namely GD-1) to explore the improvements in the gravitational potential models of our Galaxy. The constraints on the Milky Way’s mass and that on the shape of its dark matter halo, that were obtained by simply employing this single stream, revealed the potential power the analysis of an ensemble of streams would hold in in probing the overall galactic mass distribtuion of our Galaxy. Thereby, the thesis paved way for new discoveries of the stellar substructures, also highlighting the future prospects in this field.; Les courants stellaires de marée sont des structures en étoile immaculées qui jouent un rôle central dans la résolution des mystères de longue date de l'archéologie galactique. Étant donné que les flux sont de nature orbitale, ils possèdent intrinsèquement les caractéristiques de résolution de la distribution de masse sous-jacente de la galaxie et peuvent être utilisés pour sonder la forme du halo de matière noire. En plus de tester le scénario de «fusion hiérarchique» de la formation de galaxies, les brèches de ruisseau peuvent également fournir une preuve indirecte de l’existence de sous-halos de matière noire (ce qui, en principe, limite la nature de la particule de matière noire elle-même). Pour toutes ces raisons, l'analyse dynamique des flux stellaires de la Voie Lactée devient naturellement l'un des problèmes les plus intéressants. Cependant, le principal défi consiste à détecter ces structures. Au cours de la thèse, l’algorithme STREAMFINDER (un algorithme à la pointe de la technologie) a été conçu pour traiter systématiquement le jeu de données Gaia (le nouveau catalogue astrophysique de l’ESA contenant des solutions astrométriques sans précédent de plus de 1,6 milliard d’étoiles) pour la détection des flux stellaires de la Voie lactée. Cette lourde entreprise a permis de détecter 10 structures de flux de confiance, dont 5 étaient considérées comme de nouvelles découvertes. Cette récolte de structures a également facilité, pour la première fois, la création d’une carte structurale et cinématique panoramique des flux stellaires de la rivière Milky. Halo, poussant notre communauté encore plus loin dans l’histoire complexe de la formation de notre galaxie. Ce projet a été immédiatement suivi de l'analyse orbitale de l'un des flux détectés (à savoir GD-1) pour explorer les améliorations des modèles de potentiel gravitationnel de notre galaxie. Les contraintes imposées à la masse de la Voie lactée et à la forme de son halo de matière noire, obtenues simplement en utilisant ce seul flux, ont révélé la puissance potentielle que l'analyse d'un ensemble de flux permettrait de sonder la distribution globale de la masse galactique de notre galaxie. Ainsi, la thèse a ouvert la voie à de nouvelles découvertes des sous-structures stellaires, soulignant également les perspectives d'avenir dans ce domaine.

The concordance model of cosmology, called ΛCDM, is a success, since it is able to reproduce the main cosmological observations with great accuracy and only few parameters. However, it predicts the existence of cold dark matter and dark energy in the form of a cosmological constant, which have not been directly detected yet. Therefore, it is important to consider models going beyond ΛCDM, and confront them against observations, in order to improve our knowledge on the dark sector of the Universe. The future Euclid satellite from the European Space Agency will probe a huge volume of the large-scale structure of the Universe using mainly the clustering of galaxies and the distortion of their images due to gravitational lensing. In this work, we quantitatively estimate the constraining power of the future Euclid data for the concordance model, as well as for some phenomenological extensions of it, modifying both dark components of the Universe. In particular, we pay special attention to the cross-correlations between the different Euclid probes when combining them, and assess their impact on the final results. On one hand, we show that Euclid will provide exquisite constraints on cosmological models that will definitely shed light on the dark sector. On the other hand, we show that cross-correlations between Euclid probes cannot be neglected in future analyses, and, more importantly, that the addition of these correlations largely improves the constraints on the cosmological parameters.; Le modèle de concordance de la cosmologie, appelé ΛCDM, est un succès de la physique moderne, car il est capable de reproduire les principales observations cosmologiques avec une grande précision et très peu de paramètres libres. Cependant, il prédit l’existence de matière noire froide et d’énergie sombre sous la forme d’une constante cosmologique, qui n’ont pas encore été détectées directement. Par conséquent, il est important de considérer des modèles allant au-delà de ΛCDM et de les confronter aux observations, afin d’améliorer nos connaissances sur le secteur sombre de l’Univers. Le futur satellite Euclid, de l’Agence Spatiale Européenne, explorera un énorme volume de la structure à grande échelle de l’Univers en utilisant principalement le regroupement des galaxies et la distorsion de leurs images due aux lentilles gravitationnelles. Dans ce travail, nous caractérisons de façon quantitative les performances d’Euclid vis-à-vis des contraintes cosmologiques, à la fois pour le modèle de concordance, mais également pour des extensions phénoménologiques modifiant les deux composantes sombres de l’Univers. En particulier, nous accordons une attention particulière aux corrélations croisées entre les différentes sondes d’Euclid lors de leur combinaison et estimons de façon précise leur impact sur les résultats finaux. D’une part, nous montrons qu’Euclid fournira d’excellentes contraintes sur les modèles cosmologiques qui définitivement illuminera le secteur sombre. D’autre part, nous montrons que les corrélations croisées entre les sondes d’Euclid ne peuvent pas être négligées dans les analyses futures et, plus important encore, que l’ajout de ces corrélations améliore grandement les contraintes sur les paramètres cosmologiques.

Understanding the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics. If dark matter is made of particles, we can hope to detect it, directly or indirectly, using Earth-based or spatial experiments. Make predictions for the outcome of these experiments, or interpret the results in case of a detection, requires a deep understanding of the structuring of dark matter in our Galaxy. Starting from particle physics and cosmological considerations, I built a dynamically constrained model of the Galactic dark halo including a detailed description of its inhomogeneities. The impact of these inhomogeneities on searches with cosmic rays is then analysed in details. I also study a method allowing to predict the phase-space distribution of dark matter particles, and discuss its possible application to dark matter searches. This method is then applied to searches with cosmic-ray electrons and positrons, and new very stringent constraints are obtained on microscopic models of dark matter.; Identifier la nature de la matière sombre est l'un des plus grands problèmes de la physique contemporaine. Si la matière sombre est constituée de particules, on peut espérer la détecter, directement ou indirectement, grâce à des expériences terrestres ou spatiales. Prédire les résultats de ces expériences, ou les interpréter en cas de détection, nécessite une compréhension profonde de la structuration de la matière sombre dans notre Galaxie. En partant de considérations issues de la physique des particules et de la cosmologie, je construits un modèle du halo de matière sombre Galactique contraint dynamiquement qui incorpore une description détaillée des ses inhomogénéités. L'impact des ces inhomogénéités sur les recherches utilisant le rayonnement cosmique est ensuite analysé en détails. J'étudie également une méthode permettant de prédire la distribution dans l'espace des phases des particules de matière sombre, et discute sa possible application aux recherches de matière sombre. Cet outil est ensuite appliqué aux recherches utilisant les électrons et positrons cosmiques, et de nouvelles contraintes très fortes sont obtenues sur les modèles microscopiques de matière sombre.

This thesis presents searches for new physics produced via Vector Boson Fusion (VBF) in final states with large Missing Transverse Momentum (Etmiss) using 36.1 fb⁻¹ of data from proton-proton collisions at center-of-mass-energy of 13 TeV, collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN during 2015 and 2016. In particular, it focuses on the search for the invisible decay of the Higgs boson produced via the vector boson fusion (VBF) process. As the SM predicts an Higgs invisible decay only through H->ZZ*->4v with Branching Ratio BR~0.1%, if an invisibly decaying Higgs boson would be observed with a higher BR, this would be a sign of new physics. Several Beyond the Standard Model (BSM) models predict invisibly decaying Higgs boson where the Higgs can decay into dark matter particles or neutral long-lived massive particles. Among the H->invisible searches the most sensitive one is the one where the Higgs is produced via the VBF process. Its final state is characterized by two energetic jets, with the typical features of the VBF mode (i.e. large angular separation and large invariant mass) and large missing transverse momentum (Etmiss>180 GeV). To select a sample of signal candidate events, a Signal Region (SR) is designed to maximize the fraction of expected signal events with respect to the SM prediction (backgrounds). The SM processes which can populate the SR comes mainly from Z->vv+jets and W->lv+jets processes, where the lepton is lost or not reconstructed. Their contribution is estimated with a semi data driven approach: dedicated regions enriched in W->lv/Z->ll events are used to normalize to data the Monte Carlo (MC) estimates using a simultaneous fitting technique (transfer factor) and to extrapolate them to the SR. The predicted background estimate is compared to the observed SR data. Since no excess is found, an upper limit on the BR(H->inv) is set. The analysis is then reinterpreted in the context of models inspired by the Minimal Dark Matter model. The case of a new electroweak fermionic triplet, with null hypercharge and with interactions respecting the B-L number, added on top of the SM provides a good Dark Matter candidate. As such, it is an example of pure Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), meaning that it is a DM particle with SU(2)_L SM interactions which is not mixing with other states (pure).If the thermal abundance is assumed, the mass of the neutral component is around 3 TeV, however smaller masses are also allowed in case of non-thermal production mechanisms or if the triplet constitutes only a fraction of the DM abundance. It can be produced at proton-proton colliders such as the LHC and it can be probed in different ways. Once produced, the charged components of the triplet decays into the lightest neutral component chi0 plus very soft charged pions. chi0 is reconstructed as Etmiss in the detector while the pions, because of the small mass splitting between the neutral and charged components, are so soft that are lost and are not reconstructed. Therefore, when produced via VBF, it gives rise to a signature with two VBF jets and Etmiss, the same final state that has been investigated for the VBF Higgs invisible analysis. Different mass point (from 90 GeV to 200 GeV) have been generated with the Madgraph+Pythia, Monte Carlo programs within the official ATLAS software, and upper limits are set on the fiducial cross section. Extrapolations to higher luminosities using a simplified approach are also presented.; Cette thèse présente des recherches sur la nouvelle physique produite par le processus de Fusion de Bosons Vecteur (VBF) dans les états finaux avec une grand impulsion transverse manquante (Etmiss) en utilisant 36.1 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) au CERN en 2015 et 2016. En particulier, elle se concentre sur la recherche de la désintégration invisible du boson de Higgs produit via le mode VBF. Comme le modèle standard de la physique des particules (MS) prédit une désintégration invisible de Higgs uniquement à travers le mode H->ZZ*->4v avec un rapport d’embranchement BR ~ 0,1%, si une désintégration en particules invisibles du boson de Higgs était observée avec un BR supérieur, ce serait un signe de nouvelle physique. Plusieurs modèles au-delà du modèle standard (BSM) prédisent des désintégrations du boson de Higgs en particules de matière noire (DM, non détectées) ou en particules massives neutres à vie longue. Parmi les recherches H->particules invisibles, la plus sensible est celle où le Higgs est produit via le mode VBF. Son état final est caractérisé par deux jets énergétiques, avec les caractéristiques typiques du mode VBF (c'est-à-dire une grande séparation angulaire et une grande masse invariante des deux jets) et une grande impulsion transverse manquante (Etmiss>180 GeV). Pour sélectionner un échantillon d'événements candidats de signal, une région de signal (SR) est définie pour maximiser la fraction d'événements de signal attendus par rapport à la prédiction du MS (bruit de fond). Les processus MS qui peuvent peupler la SR proviennent principalement des processus Z->vv+jets et W->lv+jets, où le lepton est perdu ou non reconstruit. Leur contribution est estimée avec une approche semi-data driven : des régions dédiées enrichies en événements W->lv/Z->ll sont utilisées pour normaliser les données des estimations de Monte Carlo (MC) en utilisant une technique de fit simultané (méthode du facteur de transfert) et pour les extrapoler à la SR. L'estimation de fond prédit est comparée aux données SR observées. Comme aucun excès n'est trouvé, une limite supérieure sur le BR (H-> invisible) est calculée. L'analyse est ensuite réinterprétée dans le cadre de modèles inspirés du modèle Minimal Dark Matter. Le cas d'un nouveau triplet fermionique électrofaible, avec une hypercharge nulle et avec interactions respectant le nombre B-L, ajouté au MS fournit un bon candidat Dark Matter (WIMP pure). Si on considère l'abondance thermique, la masse du composant neutre est d’environ 3 TeV. Cependant des masses plus faibles sont également envisageables dans le cas de mécanismes de production non thermiques ou lorsque le triplet ne constitue qu'une fraction de l'abondance de DM. Il peut être produit à des collisionneurs proton-proton tels que le LHC et il peut être sondé de différentes manières. Une fois produites, les composantes chargées du triplet se désintègrent dans le composant neutre le plus léger, χ0 , avec en plus des pions très mous, en raison de la petite différence de masse entre les composants neutres et chargés. Ces pions de très faible impulsion ne peuvent pas être reconstruits et sont donc perdus. Le χ0 est reconstruit comme de l’Etmiss dans le détecteur. Par conséquent, lorsqu'il est produit via VBF, il donne lieu à une signature avec deux jets VBF et de l’Etmiss, le même état final que celui qui a été étudié pour l'analyse de VBF H->invisible. Des points de masse différentes (de 90 GeV à 200 GeV) ont été engendrés avec les programmes Monte Carlo Madgraph+Pythia, dans le cadre du logiciel officiel ATLAS, et les limites supérieures sont définies sur la section efficace fiducielle de production. Des extrapolations à des luminosités plus élevées (Run3 et HL-LHC) en utilisant une approche simplifiée sont également présentées.

A century after the Universe model of Friedmann-Lemaître, the observations comfort it with a cosmological constant Λ and a dark matter component without pressure (dust) and cold dominating the baryonic one, which is denoted by ΛCDM model or standard model. The acceleration of the expansion of the Universe confirmed by the Hubble diagram of the supernovae in 1998 imposes a strictly positive value on the cosmological constant.My thesis work focuses on the estimation of the cosmological parameters values of the standard model using the null correlation technique. This approach has the advantage of being more robust than the usual techniques. In particular, it is not necessary to specify the luminosity function, it is derived from the data analysis. In addition, it accounts for the Malmquist bias due to selection effects on apparent magnitude. This work deals with modelling samples of the quasar event and the supernova event, which enables us to generatesamples in order to validate the statistical approaches. We used data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) for quasars, and the SuperNova Legacy Survey (SNLS) and SDSS-II for supernovae. The Statistical inferences suggest a Universe spatially Closed and a weaker presence of dark matter than that in the Standard model. Such a statistical analysis can be used to constrain dark energy models.Application of this technique might be useful for analyzing of clusters of galaxies observed through the effect of Sunyaev Zel'dovich, in view of deriving the cosmological model and provide an answer to the question of the contribution of massive neutrinos in the formation of clusters in the primordial era of the Universe.; Un siècle après le modèle d'univers de Friedmann-Lemaître, les observations le confortent avec une constante cosmologique Λ et une composante de matière sombre (noire) sans pression (poussière) et froide dominant celle baryonique, que l'on désigne par modèle ΛCDM ou encore modèle standard. L'accélération de l'expansion de l'Univers confirmée par le diagramme de Hubble des supernovae en 1998 impose une valeur strictement positive à la constante cosmologique.Mes travaux de thèse se focalisent sur l'estimation des valeurs de paramètres cosmologiques du modèle standard en utilisant la technique de corrélationnulle. Cette approche présente l'avantage d'être plus robuste que les techniques usuelles. En particulier, il n'est pas requis de préciser la fonction deluminosité, celle-ci est déduite par cette méthode. De plus, elle prend en compte le biais de Malmquist due à la limitation en magnitude apparent. Ce travail a consisté aussi à modéliser des échantillons de l'événement quasar ainsi que l'événement supernova, une extrapolation adaptée du premier. Ce qui apermis de générer des échantillons conformes aux hypothèses des modèles, afin de valider les approches statistiques. Nous avons exploité les données du SloanDigital Sky Survey (SDSS) pour les quasars, et celles du SuperNova Legacy Survey (SNLS) et du SDSS-II pour les supernovae. Les inférences statistiques ont conduit à un univers spatialement fermé et une présence de matière noire plus faible.Dans le cadre d'une prochaine application de cette technique, elle sera utilisée pour contraindre les modèles d'énergie noire. De même, l'utilisation des amas de galaxies observées grâce à l'effet de Sunyaev Zel'dovich, servira d'échantillon cosmologique. Une telle étude pourra contribuer à apporter un élément de réponse à la validité du rôle supposé des neutrinos massifs dans la formation des amas dans l'ère primordiale de l'Univers.

Almost two decades ago, the paradigm of extra-dimensional models addressing the gauge hierarchy problem attracted much attention through the elegant proposals of large, flat extra dimensions (EDs) - the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali or ADD model - and warped EDs - the Randall-Sundrum or RS model. In this thesis, we discuss several models inspired from such extra-dimensional scenarios. We start by introducing some key elements of field theory in five space-time dimensions and showing how such scenarios provide a solution to the hierarchy problem. Afterwards, in a first part of this work, we adopt a bottom-up approach and study several models containing Vector-Like Fermions (VLFs), which are typically predicted in ED frameworks. We show how adding Vector-Like Quarks (VLQs) to the Standard Model (SM) allows one to simultaneously explain the anomalies in the (i) b-quark forward-backward asymmetry measured at the Large Electron-Positron collider (LEP) and (ii) the tth production cross section measured at the Large Hadron Collider (LHC). Using the so-called Higgs decay ratios, we also estimate the sensitivity of the upgraded LHC, the High-Luminosity LHC, to the presence of VLQs. Then, we consider a Two-Higgs Doublet Model (2HDM) extended with Vector-Like Leptons (VLLs) in order to fit the mysterious 750 GeV excess observed at LHC in late 2015. Within a similar model, we also explain the Dark Matter (DM) abundance in the Universe, our DM candidate being a neutral VLL, which is rendered stable by a suitable Z2 symmetry. Later on, in a second part of the thesis, we focus on the more concrete warped ED scenario endowed with a bulk custodial symmetry, which protects the model from large electroweak (EW) corrections. In this framework, we first interpret the 2 TeV diboson bump observed at LHC in 2015 as a superposition of Kaluza-Klein (KK) gauge bosons produced in the s-channel. Afterwards, we study the phenomenology of the mixed Higgs-radion scalar sector of the aforementioned model. In particular, we estimate the sensitivity of the LHC and of a future electron-positron collider (the International Linear Collider - ILC) to the existence of a radion via its production in association with a Z boson.; Il y a près de deux décennies, l'utilisation des modèles à dimensions supplémentaires pour résoudre le problème de hiérarchie des théories de jauge a reçu beaucoup d'attention, au travers d'élégantes propositions : des dimensions supplémentaires (DS) étendues et plates - le modèle d'Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali, ou ADD - ainsi que des DS courbées - le modèle de Randall-Sundrum, ou RS. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs modèles inspirés de tels scénarios extra-dimensionnels. Pour commencer, nous introduisons des éléments-clés de la théorie des champs en cinq dimensions, et nous montrons comment de tels scénarios apportent une réponse au problème de hiérarchie. Ensuite, dans une première partie, nous adoptons une approche ``de bas en haut'' et étudions plusieurs modèles contenant des fermions vectoriels (FV), prédits génériquement dans les modèles de DS. Nous montrons qu'en ajoutant des quarks vectoriels (QV) au Modèle Standard (MS), on peut expliquer en même temps les anomalies (i) d'asymétrie avant-arrière des quarks b, mesurée au Large Electron-Positron collider (LEP) et (ii) de section efficace de production de tth mesurée au Large Hadron Collider (LHC). En utilisant des rapports de taux de désintégration du Higgs, nous estimons aussi la sensibilité du LHC amélioré, le LHC à haute luminosité, à la présence de QV. Puis nous considérons un modèle à deux doublets de Higgs (2HDM), accompagné de leptons vectoriels (LV) pour expliquer le mystérieux excès à 750 GeV observé au LHC fin 2015. Dans un modèle similaire, nous expliquons également l'abondance de matière sombre (MS) dans l'Univers, notre candidat pour la MS étant un LV neutre, stabilisé par une symétrie Z2 appropriée. Par la suite, dans une deuxième partie de la thèse, nous nous penchons sur le scénario plus concret des DS courbées dotées d'une symétrie custodiale dans l'espace cinq-dimensionnel, qui protège le modèle vis-à-vis de larges corrections électrofaibles. Dans ce cadre, nous interprétons tout d'abord la bosse à deux bosons observée à 2 TeV au LHC comme une superposition de bosons de jauge de Kaluza-Klein, produits en canal s. Dans un deuxième temps, nous étudions la phénoménologie du secteur scalaire du modèle susdit, qui mêle le Higgs et le radion. En particulier, nous estimons la sensibilité du LHC et d'un futur collisionneur électron-positron (l'International Linear Collider - ILC) à l'existence d'un radion, via la production de celui-ci en association avec un boson Z.

The discovery of a particle consistent with a Standard Model (SM) Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS collaborations has opened up new possibilities in searches for physics beyond the SM (BSM). Searches for dark matter in ATLAS focus on a special case of general models called, mono-X, that predict a single object X (jet, photon, W or Z bosons) produced in association to dark matter (DM) particles. The production of these final states depend on the coupling between the radiated object and the colliding particles. This fact motivates the search of mono-Higgs signals since Higgs does not couple to gluons and its couplings to light quarks are very weak. Then, the Standard Model does not predict a large contribution to these mono-Higgs final states, thus any deviation from SM predictions is a direct probe of a coupling between the Higgs and a new BSM sector. A search of DM particles produced in association to a Higgs boson decaying into two photons has been carried out in this thesis. Aiming to increase the significance of discovery in this channel, studies on the cross-talk effect has been performed to improve photon identification in ATLAS. Besides, DM particles are not expected to interact within the detector fiducial volume, thus predicted signatures include a large missing transverse momentum. Performance studies of the reconstruction of this missing momentum has been put in place in topologies containing a Higgs boson decaying into two photons.; La découverte d'une particule cohérent avec la production d'un boson de Higgs du Modèle Standard (MS) en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS a ouverte de nouvelles possibilités de recherche de physique au-delà du MS (BSM). Les recherches de matière noire en ATLAS se concentrent sur des modèles générales, appelées mono-X, qui prédisent la production d'un seul objet X (jet, photon ou des bosons W ou Z) en association à des particules de matière noire (DM). La production de ces états finaux dépend du couplage entre les objets radiés et les particules en collision. Ce fait encourage la recherche des signaux mono-Higgs car le boson de Higgs ne se couple pas directement avec des gluons et ses couplages avec les quarks légères sont très faibles. Par conséquent, le Modèle Standard ne prédit pas une grande contribution à ces états finaux, donc toute déviation observée des prédictions du MS permettrait d'étudier directement le couplage du boson de Higgs à des nouveaux secteurs BSM. Lors de cette thèse, une recherche a été menée sur la production des particules de matière noire en association à un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. En ayant pour but d'augmenter la sensibilité de l'expérience à une possible découverte, des études sur l'effet de diaphonie ont été menées afin d'améliorer l'identification de photons dans ATLAS. Par ailleurs, les particules de matière noire n'interagissent pas avec le détecteur, ce qui impose des signatures avec une grande énergie transverse manquante. Des études sur la performance de la reconstruction de cette énergie transverse manquante ont été mises en place pour des topologies contenant un boson de Higgs se désintégrant en deux photons.

The recent discovery of the Higgs boson completes the standard model of particle physics, but no compelling signal for physics beyond the standard model has been observed despite the numerous searches performed by experiments at the Large Hadron Collider (LHC). Nevertheless, the hierarchy problem and the observation of dark matter are compelling arguments to study theories predicting new states at the weak scale, and a main effort has been directed towards understanding the negative search results and their implications for such weak scale new physics scenarios. Simplified models have become a standard in the interpretation of LHC searches for supersymmetry (SUSY), aiming at maximal model independence. More recently a similar approach was adopted for the interpretation of dark matter searches. The success of this approach is due to the fact that the small set of free parameters relates to the observables in LHC searches in a clear way, allowing an efficient optimisation of search strategies. Moreover, generic models can be projected on a simplified model description giving an intuitive understanding of the constraints on the parameter space, and providing a fast test against LHC constraints. As the relation between generic model parameters and simplified models is generally not straightforward, sophisticated computational tools are required to facilitate such a projection.This thesis explores the various aspects of simplified model interpretations of LHC searches and how they can be used to understand the results and bridge the gap between theoretical descriptions and experimental observations. In particular the software tool SModelS is presented, a tool that automates the mapping of generic models onto SUSY-like simplified model components, and that allows direct tests against corresponding experimental limits in the included database. Under certain assumptions SModelS can be used to constrain a wide class of new physics models with a dark matter candidate. These assumptions and some explicit tests are discussed in detail, followed by studies of (non-minimal) supersymmetric models using SModelS for the fast evaluation of constraints from SUSY searches. These studies highlight the capacity as well as the limitations of using simplified model results to study generic models. Finally regarding simplified models for dark matter searches, scenarios with a spin-2 mediator are studied in detail., La découverte récente du boson de Higgs complète le Modèle Standard de la physique des particules, mais aucun signal de nouvelle physique n’a été observé en dépit des nombreuses recherches effectuées par les expériences du Large Hadron Collider (LHC). Cependant le problème de hiérarchie et la présence de matière noire sont des motivations importantes pour considérer des théories qui prédisent de nouveaux états à l’échelle électro-faible, de fait, de nombreux travaux ont été initiés sur l’interprétation des résultats négatifs et leurs implications pour de tels scénarios. Les modèles simplifiés sont devenus une norme pour l’interprétation des recherches de supersymétrie (SUSY) au LHC, et plus récemment pour les recherches de matière noire. Le succès de cette approche vient d’un petit nombre de paramètres liés aux observables au LHC de façon claire, ce qui permet une optimisation efficace des stratégies de recherche. De plus, les modèles complets peuvent être projetés sur de tels modèles simplifiés ce qui permet une compréhension intuitive des contraintes sur l’espace des paramètres et un test rapide des contraintes du LHC. Puisque les relations entre les paramètres de modèles généraux et les modèles simplifiés ne sont pas en général directes, des outils numériques sophistiqués sont nécessaires pour faciliter cette projection.Cette thèse explore de nombreux aspects de l’interpretation des recherches du LHC par les modèles simplifiés, et de la façon dont ils sont utilisés pour faire le lien entre les observations expérimentales et les descriptions théoriques. En particulier le code SModelS est présenté, il permet la décomposition automatique de modèles généraux en modèles simplifiés inspirés par la SUSY, et de les tester aux contraintes expérimentales incluses dans une base de données. Sous certaines hypothèses SModelS peut être utilisé pour contraindre une grande classe de modèles comprenant un candidat à la matière noire. Ces hypothèses sont discutées en détail et des études de modèles supersymétriques (non-minimaux) utilisant SModelS pour l’évaluation rapide des contraintes expérimentales sont présentées. Ces études soulignent les avantages ainsi que les limitations de l’utilisation de modèles simplifiés. Finalement, concernant les modèles simplifiés pour la recherche de matière noire, des scénarios avec un médiateur de spin-2 sont étudiés en détail.