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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.

This thesis presents two research projects that are placed in the context of the two main theories of modern physics: general relativity and the standard model.— The first project aims at measuring the gravitational redshift between the PHARAO clock of the ACES-PHARAO payload (which will be docked on the ISS) and the best clocks of the different metrology laboratories. As a data processing and analysis center, the SYRTE laboratory is actively preparing the future launch of the mission by developing various dedicated software. This manuscript presents the last stage of processing which allowed to validate the expectations of the mission and which will allow to extract the violation parameter of Albert Einstein’s theory.— The second project is a dark matter research experiment located at Paris Observatory. According to the ultra-light scalar field theory, the dark matter surrounding the Earth would be at the origin of a variation of the fundamental constants of Nature. This causes a temporal oscillation of the length of the ultrastable cavity and of the optical fiber composing the Mach-Zehnder interferometer of the experiment. The development and optimization of the optical device allowed to reach a level of sensitivity low enough to place competitive constraints on the dark matter models but unfortunately did not reveal any trace of this unknown matter in the sensitivity zone of the experiment.; Cette thèse présente deux projets de recherche qui se placent dans le contexte des deux grandes théories de la physique moderne : la relativité générale et le modèle standard.— Le premier projet a pour objectif de mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel entre l’horloge PHARAO de l’ensemble ACES-PHARAO (qui sera arrimé à l’ISS) et les meilleures horloges des différents laboratoires de métrologie. En tant que centre de traitement et d’analyse des données, le laboratoire SYRTE prépare activement le futur lancement de la mission en développant différents logiciels dédiés. Ce manuscrit présente le dernier étage de traitement qui a permis de valider les attentes de la mission et qui permettra d’extraire le paramètre de violation de la théorie d’Albert Einstein.— Le second projet est une expérience de recherche de matière noire située à l’Observatoire de Paris. Selon la théorie des champs scalaires ultra-léger, la matière noire entourant la Terre serait à l’origine d’une variation des constantes fondamentales. Celle-ci entraine une oscillation temporelle de la longueur de la cavité ultrastable et de la fibre optique composant l’interféromètre de Mach-Zehnder de l’expérience. La mise en place, le développement et l’optimisation du dispostif optique ont permis d’atteindre un niveau de sensibilité suffisament faible pour placer des contraintes compétitives sur les modèles de matière noire mais n’a malheureusement pas révélé de trace de cette matière inconnue dans la zône de sensibilité de l’expérience.

This thesis presents two research projects that are placed in the context of the two main theories of modern physics:general relativity and the standard model.— The first project aims at measuring the gravitational redshift between the PHARAO clock of the ACES-PHARAOpayload (which will be docked on the ISS) and the best clocks of the different metrology laboratories. As a dataprocessing and analysis center, the SYRTE laboratory is actively preparing the future launch of the mission bydeveloping various dedicated software. This manuscript presents the last stage of processing which allowed tovalidate the expectations of the mission and which will allow to extract the violation parameter of Albert Einstein’stheory.— The second project is a dark matter research experiment located at Paris Observatory. According to the ultra-lightscalar field theory, the dark matter surrounding the Earth would be at the origin of a variation of the fundamentalconstants of Nature. This causes a temporal oscillation of the length of the ultrastable cavity and of the optical fibercomposing the Mach-Zehnder interferometer of the experiment. The development and optimization of the opticaldevice allowed to reach a level of sensitivity low enough to place competitive constraints on the dark matter modelsbut unfortunately did not reveal any trace of this unknown matter in the sensitivity zone of the experiment.; Cette thèse présente deux projets de recherche qui se placent dans le contexte des deux grandes théories de la physiquemoderne : la relativité générale et le modèle standard.— Le premier projet a pour objectif de mesurer le décalage vers le rouge gravitationnel entre l’horloge PHARAOde l’ensemble ACES-PHARAO (qui sera arrimé à l’ISS) et les meilleures horloges des différents laboratoires demétrologie. En tant que centre de traitement et d’analyse des données, le laboratoire SYRTE prépare activementle futur lancement de la mission en développant différents logiciels dédiés. Ce manuscrit présente le dernier étagede traitement qui a permis de valider les attentes de la mission et qui permettra d’extraire le paramètre de violationde la théorie d’Albert Einstein.— Le second projet est une expérience de recherche de matière noire située à l’Observatoire de Paris. Selon lathéorie des champs scalaires ultra-léger, la matière noire entourant la Terre serait à l’origine d’une variation desconstantes fondamentales. Celle-ci entraine une oscillation temporelle de la longueur de la cavité ultrastable et dela fibre optique composant l’interféromètre de Mach-Zehnder de l’expérience. La mise en place, le développementet l’optimisation du dispostif optique ont permis d’atteindre un niveau de sensibilité suffisament faible pour placerdes contraintes compétitives sur les modèles de matière noire mais n’a malheureusement pas révélé de trace decette matière inconnue dans la zône de sensibilité de l’expérience.

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.

In the last century, several astrophysical observations have provided strong evidence of the existence of dark matter in the Universe. This dark matter, non-luminous and weakly interactive with ordinary matter, is responsible for 80% of the Universe’s mass and could be composed of massive particles called WIMPs. XENON1T is a direct dark matter experiment. It consists of a dual-phase time projection chamber filled with liquid xenon and is operating in an ultra-low background environment. XENON1T was designed to detect the elastic WIMP-xenon nucleus scattering. The rare and low energy signals produced by such interaction ask for a well-known response of the detector and for a long period of data taking. Regular calibration, using an internal source of Kr-83m, were thus carried out to monitor the detector stability. Thanks to the ultra-low background environment, XENON1T allows studying other rare processes. Among them, the search for neutrinoless double ß decay, meant to probe the nature of neutrinos, is a possible perspective thanks to the natural presence of the Xe-136, a double ß decay isotope. The signal expected is an electronic recoil at higher energy with respect to dark matter searches. A dedicated analysis was carried out in order to reconstruct high energy events, allowing to reach the best energy resolution obtained in an experiment using liquid xenon in the region of interest for neutrinoless double ß decay.; Durant le siècle dernier, de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques ont montré la présence de matière noire dans l’Univers. Cette matière noire, non-lumineuse et interagissant peu avec la matière ordinaire, représente 80% de la masse de l’Univers et pourrait être composée de particules massives appelées WIMP. XENON1T est une expérience de détection directe de matière noire, utilisant une chambre à projection temporelle remplie de xénon liquide. Fonctionnant dans un environnement dit de bas bruit de fond, XENON1T fut conçu pour détecter le signal produit par la collision élastique des WIMP avec un noyau cible de xénon. Ce signal rare et de faible énergie nécessite des expériences dont la réponse est parfaitement connue et ce pour de longues périodes de prises de données. Des calibrations régulières utilisant une source interne de Kr-83m ont donc été mises en place et permettent de s’assurer de la stabilité du détecteur. Grâce son environnement de très bas bruit de fond, XENON1T permet également l’étude d’autres processus rares. En particulier, la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos est une perspective possible grâce à la présence naturelle du Xe-136, un émetteur double ß-. La détection d’une telle décroissance pourrait permettre de déterminer la nature des neutrinos. Le signal recherché est un recul électronique dont l’énergie est grande par rapport à l’énergie attendue pour la recherche de matière noire. Une analyse dédiée a donc été mise en place afin de reconstruire ces évènements de hautes énergies. Cette analyse a permis d’atteindre la meilleure résolution en énergie, dans la région d’intérêt pour la recherche de décroissance double ß sans émission de neutrinos, pour des expériences utilisant du xénon liquide comme cible.

Enseignement Cours – L’époque de la réionisation de l’Univers Introduction L’Univers commence dans une gigantesque explosion, le Big Bang. La densité d’énergie et la température sont énormes, et dans l’expansion rapide qui suit, l’énergie se dilue et la température décroît. L’Univers est d’abord un plasma de particules chargées, essentiellement électrons et protons. 380 000 ans plus tard, la température est de 3 000 Kelvin, et le gaz se recombine en atome d’hydrogène. Les photons ne sont alor...

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.

The Standard Model of particles physics is a well-tested theory at the electroweak scale. However this is not the end of the story. For instance, it does not solve the dark matter problem, which is one of the major issues of the modern physics. About 85% of the matter in the Universe is not describe by the Standard Model. It is called dark matter. This thesis presents a category of models responding to the dark matter problem. These models are based on the WIMP-paradigm, stating that a neutral particle with an electroweak cross-section and with an electroweak-scale mass roughly explains the observed relic abundance. Nevertheless, a closer look reveals that this correspondence is quantitatively not very precise since multi-TeV dark matter masses are required for the simplest models, which is 1-2 orders of magnitude larger than the electroweak scale. However, with an extended dark sector, it is possible to maintain the dark matter particle mass close to the electroweak scale and to keep the observed relic density. My thesis discloses simple effective models of fermionic WIMP dark matter, where the dark matter candidate is a mixture of a Standard Model singlet and an n-plet of SU(2)×U(1). The dark matter is assumed to be aroundthe electroweak scale, and the mixing is generated by higher-dimensional operators involving the Higgs doublet. Upon electroweak symmetry breaking, the Higgs takes its vacuum expectation value and non diagonal mass matrices are generated for the dark matter sector. This causes mixing between dark matter sector states, and physical states and masses are obtained by diagonalising the mass matrices. For suitable parameters, it is always possible to adjust the mixing to reproduce the observed relic density. This is reffered to as a well-tempered mixing. In order to stabilise the dark matter particle, we need to add a discrete symmetry under which the dark matter sector is odd and the Standard Model is even. For n odd, the n-plet is a Majorana multiplet with zero hypercharge. For n even, we consider a bi-multiplet with opposite hypercharges of ± 1/2 such as to form a Dirac spinor. We focus on the observed relic density and the direct detection constraints for the singlet-triplet, singlet-quadruplet and singlet-quintuplet configurations. Note that bounds from indirect detection are less stringent than those from direct detection. We impose electroweak mass for the dark matter particle such that it could be produced by the LHC. Results show that it is always possible to find a choice of parameters reproducing the observed relic density with an electroweak dark matter mass which conforms to the direct and a fortiori indirect detection constraints. In the region of validity of the effective theory, direct detection is less constraining for higher representations of the n-plet due to the tiny mixing.; Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange.

The Standard Model of particles physics is a well-tested theory at the electroweak scale. However this is not the end of the story. For instance, it does not solve the dark matter problem, which is one of the major issues of the modern physics. About 85% of the matter in the Universe is not describe by the Standard Model. It is called dark matter. This thesis presents a category of models responding to the dark matter problem. These models are based on the WIMP-paradigm, stating that a neutral particle with an electroweak cross-section and with an electroweak-scale mass roughly explains the observed relic abundance. Nevertheless, a closer look reveals that this correspondence is quantitatively not very precise since multi-TeV dark matter masses are required for the simplest models, which is 1-2 orders of magnitude larger than the electroweak scale. However, with an extended dark sector, it is possible to maintain the dark matter particle mass close to the electroweak scale and to keep the observed relic density. My thesis discloses simple effective models of fermionic WIMP dark matter, where the dark matter candidate is a mixture of a Standard Model singlet and an n-plet of SU(2)×U(1). The dark matter is assumed to be aroundthe electroweak scale, and the mixing is generated by higher-dimensional operators involving the Higgs doublet. Upon electroweak symmetry breaking, the Higgs takes its vacuum expectation value and non diagonal mass matrices are generated for the dark matter sector. This causes mixing between dark matter sector states, and physical states and masses are obtained by diagonalising the mass matrices. For suitable parameters, it is always possible to adjust the mixing to reproduce the observed relic density. This is reffered to as a well-tempered mixing. In order to stabilise the dark matter particle, we need to add a discrete symmetry under which the dark matter sector is odd and the Standard Model is even. For n odd, the n-plet is a Majorana multiplet with zero hypercharge. For n even, we consider a bi-multiplet with opposite hypercharges of ± 1/2 such as to form a Dirac spinor. We focus on the observed relic density and the direct detection constraints for the singlet-triplet, singlet-quadruplet and singlet-quintuplet configurations. Note that bounds from indirect detection are less stringent than those from direct detection. We impose electroweak mass for the dark matter particle such that it could be produced by the LHC. Results show that it is always possible to find a choice of parameters reproducing the observed relic density with an electroweak dark matter mass which conforms to the direct and a fortiori indirect detection constraints. In the region of validity of the effective theory, direct detection is less constraining for higher representations of the n-plet due to the tiny mixing.; Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie robuste à l'échelle électro-faible. Cependant, ce dernier possède des lacunes. Par exemple il ne permet pas d'expliquer la matière sombre, qui est une des problématiques majeures de la physique moderne. Près de 85% de la matière présente dans l'Univers n'est pas expliquée par le Modèle Standard. On l’appelle la matière sombre. Cette thèse présente une catégorie de modèles s'adressant à la problématique de la matière sombre. Ceux-ci s'appuient sur le paradigme du WIMP, qui nous enseigne qu'une particule neutre avec une section efficace électro-faible et une masse électro-faible explique à peu près l'abondance relique observée. Néanmoins, une analyse plus approfondie révèle que cette correspondance n'est en fait pas très précise puisque des masses multi-TeV pour la matière sombre sont nécessaires pour les modèles les plus simples, ce qui est 1-2 ordres de grandeur plus grand que l’échelle électro-faible. Cependant, avec un secteur sombre étendu, il est possible de maintenir la masse de la matière sombre proche de l’échelle électro-faible tout en gardant la densité relique observée. Ma thèse présente des modèles effectifs simples de matière sombre fermionique du type WIMP, ou le candidat de matière sombre est issu du mélange entre un singlet du Modèle Standard et d'un n-plet de SU(2)×U(1). La particule de matière sombre est supposée avoir une masse de l'ordre de l'échelle électro-faible, et le mélange est généré par des opérateurs de dimensions supérieures impliquant le doublet de Higgs. Lorsque la symétrie électro-faible est brisée, le boson de Higgs acquiert sa valeur moyenne dans le vide et des matrices de masse non-diagonales sont générées dans le secteur sombre. Cela engendre un mélange entre les états du secteur sombre, et les états physiques ainsi que leur masse sont obtenus en diagonalisant les matrices de masse. Pour des valeurs appropriées des paramètres, il est toujours possible d’accommoder le mélange afin de reproduire la densité relique mesurée. On parle de "well-tempered mixing" ou mélange correctement ajusté en français. Afin de stabiliser la particule de matière sombre, on doit ajouter une symétrie sous laquelle le secteur sombre est impair et le Modèle Standard est pair. Pour n impair, le n-plet est un multiplet de Majorana d'hypercharge nulle. Pour n pair, on considère un bi-multiplet d'hypercharge opposée ± 1/2 de sorte à ce qu'il forme un spineur de Dirac. On se focalise sur les contraintes liées à la densité relique et à la détection directe pour les configurations singlet-triplet, singlet-quadruplet et singlet-quintuplet. Notons que les contraintes de la détection indirecte sont moins fortes que celles issues de la détection directe. On impose une masse électro-faible pour la matière sombre afin qu'elle puisse être produite au LHC. Les résultats montrent qu'il est toujours possible de trouver un espace des paramètres, avec une masse électro-faible pour la matière sombre et redonnant la densité relique observée, qui passe les contraintes de détection directe et a fortiori indirecte. Dans la région de validité de la théorie effective, la détection directe est moins contraignante pour les grandes représentations du n-plet à cause du très faible mélange.