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The present doctoral thesis focuses on the physics of reactor neutrinos, studied in the context of two experiments: STEREO and NUCLEUS. STEREO is aimed at testing the hypothesis that an oscillation towards a sterile neutrino with a mass of ~1 eV/c2 could explain the reactor antineutrino anomaly (RAA). It uses a segmented detector, placed at ~10 m from the virtually pure 235U research reactor from ILL, to detect antineutrinos through the inverse beta decay (IBD) reaction. This thesis mainly focuses on two aspects of the STEREO analysis: the fine-tuning of the Monte Carlo simulation of the detector and the extraction of the antineutrino signal using a modelization of the reactor-off and reactor-on Pulse Shape Discrimination (PSD) distributions. The simulation fine-tuning led to a sub-percent agreement between data and simulation at the brute charge level, which allows for a better control of the energy scale, while the work on the antineutrino signal extraction allowed to put a systematic uncertainty on the absolute measured rate of antineutrinos, which led to the most accurate measurement to date. The analysis of the whole STEREO dataset validates the ~6% deficit observed in the total rate of reactor antineutrinos with respect to the predicted value, allows to reject the RAA best fit point at >99.99% confidence level, and provides the most accurate pure 235U antineutrino spectrum. An improvement of the prediction is also proposed in this thesis, allowing to reproduce the measured antineutrino spectrum and to explore the origin of the anomalies. The NUCLEUS experiment is placed between the two reactor cores of the Chooz nuclear power plant and is aimed at measuring the nuclear recoils induced by the coherent scattering of reactor antineutrinos off the nuclei of a cryogenic detector. The main challenges of the experiment are to obtain a very low detection threshold, a sufficiently fast time response, and a good background control, such that the detector could be operated in above-ground conditions. The work carried out during this thesis centered on the construction of a muon veto prototype and on geometrical simulations of the full NUCLEUS muon veto, aimed at estimating its efficiency and finding its optimal configuration.; La présente thèse de doctorat porte sur la physique des neutrinos de réacteur, étudiée dans le cadre de deux expériences : STEREO et NUCLEUS. L’expérience STEREO vise à tester l'hypothèse selon laquelle une oscillation vers un neutrino stérile de masse ~1 eV/c2 pourrait expliquer l'anomalie des antineutrinos de réacteurs (RAA). Elle utilise un détecteur segmenté, placé à ~10 m du réacteur de recherche quasiment pur en 235U de l'ILL, pour détecter des antineutrinos par la réaction de désintégration bêta inverse (IBD). Le travail de thèse se concentre principalement sur deux aspects de l'analyse STEREO : le réglage fin de la simulation Monte Carlo du détecteur et l'extraction du signal neutrino à l'aide d'une modélisation des distributions de PSD (Pulse Shape Discrimination) obtenues avec le réacteur éteint et allumé. Le réglage fin de la simulation a conduit à un accord inférieur à un pour cent entre les données et la simulation au niveau de la charge brute, ce qui permet une meilleure maîtrise de l’échelle en énergie, tandis que le travail sur l'extraction du signal neutrino a permis de mettre une incertitude systématique sur le taux absolu d'antineutrinos mesuré, conduisant à la mesure la plus précise à ce jour. L'analyse de l'ensemble des données STEREO valide le déficit de ~6% du taux total d'antineutrinos de réacteur par rapport à la valeur prédite, rejette le meilleur ajustement de la RAA à >99,99% de niveau de confiance et fournit le plus précis spectre antineutrino de pur ^{235}U. Une amélioration de la prédiction est également proposée dans ce travail de thèse, permettant de reproduire le spectre antineutrino mesuré et d’explorer l’origine des anomalies. L'expérience NUCLEUS est placée entre les deux cœurs de la centrale nucléaire de Chooz et vise à mesurer les reculs nucléaires induits par la diffusion cohérente des antineutrinos du réacteur sur les noyaux d'un détecteur cryogénique. Les principaux défis de l'expérience sont l'obtention d'un seuil de détection très bas, d'une réponse temporelle suffisamment rapide et d'un bon contrôle du bruit de fond, de sorte que le détecteur puisse être exploité dans des conditions de surface. Les travaux menés au cours de cette thèse ont porté sur la construction d'un prototype de veto muon et sur des simulations géométriques du veto muon complet de NUCLEUS, visant à estimer son efficacité et à trouver la meilleure configuration.

Cosmic rays play a fundamental role in the dynamics of the galaxy. The way it is injected into the interstellar medium and the processes it can impact over is an active research branch of Astrophysics. Although supernova remnants are thought to be the main cosmic ray accelerators there is no actual model for their injection that can efficiently explain their spectral distribution as observed on Earth and that can be validated by observations at high energy. Moreover, the effects of cosmic rays on the turbulent dynamic of the weakly ionized interstellar medium and in particular the galactic star formation rate stay unknown.In this thesis I have developed an injection and transport model for cosmic rays in the energy range 1 GeV to 100 TeV. The particles escape from Ia type supernovae remnants and propagate in the weakly ionized interstellar medium. This process is studied using a new 1D transport code called : CR SPECTRA. Having escaped from the remnant, cosmic rays drive magnetic turbulence at scales corresponding to their gyration radius which contribute to confine the particles close to the accelerator. Molecular clouds in the environment of the source represent preferential targets to probe the cosmic ray content using gamma-ray telescopes.In a second work, I have modeled the interactions of cosmic rays with a weakly ionized, thermally bi-stable interstellar medium using the 3D MHD code RAMSES. Cosmic rays transport properties are intimately linked with those of magnetic turbulence. In particular, I showed that under certain conditions, cosmic rays can prevent dense structures formations and can potentially contribute to reduce the star formation rate in the galaxy.; Le rayonnement cosmique joue un rôle fondamental dans la dynamique de la galaxie. Les processus par lesquels ce rayonnement est injecté dans le milieu interstellaire et la manière dont il impacte son environnement représentent une branche active de la recherche en astrophysique. Bien que les restes de supernovae sont considérées comme les principaux accélérateurs du rayonnement cosmique, il n'existe pas de modèle d'injection qui permette efficacement d'expliquer la distribution spectrale du rayonnement cosmique telle qu'observée depuis la surface de la Terre, ni qui ne puisse être confirmé par les observations du ciel à haute énergie. De plus, les effets du rayonnement cosmique sur la dynamique turbulente du milieu interstellaire faiblement ionisé et en particulier leur impact sur le taux de formation d'étoile de la galaxie sont encore méconnus.Dans cette thèse, j'ai développé un modèle d'injection et de transport du rayonnement cosmique d'énergie 1 GeV à 100 TeV s'échappant des restes de supernovae de type Ia et se propageant dans le milieu interstellaire faiblement ionisé à travers un nouveau code 1D de transport du rayonnement cosmique : CR SPECTRA. En s'échappant du reste, le rayonnement cosmique génère de la turbulence magnétique aux échelles du rayon de gyration des particules qui contribuent à confiner le rayonnement cosmique proche du choc du reste. Les nuages moléculaires dans l'environnement du reste représentent une signature observationnelle de cet effet de confinement.Un second travail a permis de modéliser l'interaction du rayonnement cosmique avec une phase thermiquement bi-stable faiblement ionisée du milieu interstellaire grâce au code 3D MHD RAMSES. Les propriétés de transport du rayonnement cosmique sont intimement liées aux propriétés de la turbulence magnétique dans le milieu. En particulier j'ai montré que sous certaines conditions, le rayonnement cosmique empêche la formation de structures denses et contribue potentiellement à la réduction du taux de formations d'étoiles dans la galaxie.

Understanding galaxies calls for the understanding of their appearance, which results from their stellar content, and stars form out of cold gas. Feedback processes can impede star formation: by heating the gas or preventing it from cooling and forming stars; by triggering galactic outflows that eject the gas; and by preventing the inflow of gas. In the lowest mass galaxies – dwarf galaxies –powerful and luminous stellar explosions, supernovae (SNe), are thought to be the predominant feedback process. However, recent work suggests that SN feedback is too weak. Moreover, several puzzles surrounding dwarf galaxies challenge our understanding of dark matter – of which the exact nature that is still unknown –, and these discrepancies might be solved by feedback processes. Besides, Active Galactic Nuclei (AGN) – i.e. growing massive black holes –, are another source of feedback in galaxies. The effect of AGN in dwarf galaxies is often thought to be minimal, because their growth is suppressed. But there is growing evidence that their presence in dwarf galaxies might be stronger than once thought. First, I show, using analytical methods, that the capacity of AGN to trigger outflows in dwarf galaxies is stronger than that of SNe in most of the parameter space. I then show numerically, that the AGN of a galaxy can influence the evolution of a neighboring galaxy. Finally, I assess the impact of the injection of cosmic rays by SNe: I find that it reduces the rate of star formation and increases the efficiency of SNe at driving winds, bringing simulated wind properties of dwarf galaxies much closer to observations, but the effect is not sufficient to fully match the observations.; Comprendre l’évolution des galaxies suppose d’expliquer leur apparence, qui résulte de leur contenu stellaire. Or les étoiles se forment à partir de gaz froid. Les processus de rétroaction baryonique peuvent empêcher la formation d’étoiles en chauffant le gaz, en générant des vents galactiques qui expulsent le gaz ou l’empêchent de parvenir dans la galaxie. Sans ces processus, les modèles peinent à reproduire les observations. Certaines étoiles, lorsqu’elles explosent en supernovae (SNe), sont considérées comme la source principale de rétroaction dans les plus petites galaxies – les galaxies naines. Cependant, selon des travaux récents, leur capacité de rétroaction est insuffisante. Par ailleurs, les galaxies naines font l'objet de divergences entre théorie et observations concernant la nature de la matière noire, qui reste méconnue. Il se peut que ces divergences soient résolues en invoquant des processus de rétroaction. En parallèle, les noyaux actifs – des trous noirs massifs qui croissent –, constituent une autre source de rétroaction. Des observations récentes suggèrent qu’ils pourraient avoir de l’importance dans les galaxies naines. Premièrement, je montre analytiquement que la capacité des noyaux actifs à générer des vents galactiques dépasse souvent celle des SNe. Ensuite, je montre numériquement que le noyau actif d’une galaxie peut impacter l’évolution galaxie voisine. Enfin, je montre par une série de simulations numériques que l’injection de rayonnement cosmique par les SNe réduit la formation d’étoiles et augmente la génération de vents, qui sont alors en bien meilleur accord avec les observations, bien qu'encore en deçà.

Understanding galaxies calls for the understanding of their appearance, which results from their stellar content, and stars form out of cold gas. Feedback processes can impede star formation: by heating the gas or preventing it from cooling and forming stars; by triggering galactic outflows that eject the gas; and by preventing the inflow of gas. In the lowest mass galaxies – dwarf galaxies –powerful and luminous stellar explosions, supernovae (SNe), are thought to be the predominant feedback process. However, recent work suggests that SN feedback is too weak. Moreover, several puzzles surrounding dwarf galaxies challenge our understanding of dark matter – of which the exact nature that is still unknown –, and these discrepancies might be solved by feedback processes. Besides, Active Galactic Nuclei (AGN) – i.e. growing massive black holes –, are another source of feedback in galaxies. The effect of AGN in dwarf galaxies is often thought to be minimal, because their growth is suppressed. But there is growing evidence that their presence in dwarf galaxies might be stronger than once thought. First, I show, using analytical methods, that the capacity of AGN to trigger outflows in dwarf galaxies is stronger than that of SNe in most of the parameter space. I then show numerically, that the AGN of a galaxy can influence the evolution of a neighboring galaxy. Finally, I assess the impact of the injection of cosmic rays by SNe: I find that it reduces the rate of star formation and increases the efficiency of SNe at driving winds, bringing simulated wind properties of dwarf galaxies much closer to observations, but the effect is not sufficient to fully match the observations.; Comprendre l’évolution des galaxies suppose d’expliquer leur apparence, qui résulte de leur contenu stellaire. Or les étoiles se forment à partir de gaz froid. Les processus de rétroaction baryonique peuvent empêcher la formation d’étoiles en chauffant le gaz, en générant des vents galactiques qui expulsent le gaz ou l’empêchent de parvenir dans la galaxie. Sans ces processus, les modèles peinent à reproduire les observations. Certaines étoiles, lorsqu’elles explosent en supernovae (SNe), sont considérées comme la source principale de rétroaction dans les plus petites galaxies – les galaxies naines. Cependant, selon des travaux récents, leur capacité de rétroaction est insuffisante. Par ailleurs, les galaxies naines font l'objet de divergences entre théorie et observations concernant la nature de la matière noire, qui reste méconnue. Il se peut que ces divergences soient résolues en invoquant des processus de rétroaction. En parallèle, les noyaux actifs – des trous noirs massifs qui croissent –, constituent une autre source de rétroaction. Des observations récentes suggèrent qu’ils pourraient avoir de l’importance dans les galaxies naines. Premièrement, je montre analytiquement que la capacité des noyaux actifs à générer des vents galactiques dépasse souvent celle des SNe. Ensuite, je montre numériquement que le noyau actif d’une galaxie peut impacter l’évolution galaxie voisine. Enfin, je montre par une série de simulations numériques que l’injection de rayonnement cosmique par les SNe réduit la formation d’étoiles et augmente la génération de vents, qui sont alors en bien meilleur accord avec les observations, bien qu'encore en deçà.

This thesis presents the development of Micromegas gaseous detectors for muon tomography. This technique use cosmic muons, resulting from interactions between cosmic rays and the atmosphere to image objects of large dimensions and opacity such as buildings, concrete slabs, volcanoes or pyramids such as the Khufu's pyramid in Egypt. By studying the attenuation of the muon flux through objects, we can access their internal structure. To image such structures and detect muons passing through them, muon telescopes using Micromegas detectors are used. Many efforts have been developed during this thesis to improve the spatial resolution and gas performance of the latter.One of the main goal of this thesis is to image a concrete slab, which dimensions were 2000 mm x 1000 mm x 500 mm. Firstly, a study on the detection of defects in this slab was carried out. Thanks to an algorithm developed during this thesis, a 15cm wide default can be detected with a 98% confidence level from 4h of data collection. Subsequently, a two-dimensional feasibility study, in the plan of the slab length, was carried out in order to reconstruct the density map of the concrete slab. To do this, we need to solve what is commonly referred to as the inverse problem: estimating the parameters of an object based on the data collected. Here the density of the concrete slab will play the role of parameters to be estimated and the flux of muons that have passed through the slab and collected by our detectors will play the role of data. After analysing the different systematic problem analyses, we can reconstruct the density of a concrete slab, with a thickness resolution of 125mm and a length resolution of 437.5mm, with a maximum relative error of 12%., Cette thèse porte sur le développement des détecteurs gazeux Micromegas pour la tomographie muonique. Cette technique permet d’utiliser les muons cosmiques issus des interactions entre des rayons cosmiques et l’atmosphère, afin d’imager des objets de grandes dimensions et de grande opacité tels que des bâtiments, des dalles de béton, des volcans ou encore des pyramides comme la pyramide de Khéops en Égypte. En étudiant l’atténuation du flux de muons à travers un objet, nous pouvons obtenir des informations sur sa structure interne. Pour imager de telles structures et détecter les muons qui les traversent, des télescopes muoniques utilisant des détecteurs Micromegas sont utilisés. Les travaux effectués pendant cette thèse ont eu pour but d'améliorer les performances en résolution spatiale et en gaz de ces détecteurs.Un des objectifs de cette thèse a été d’imager une dalle de béton de 2 m de longueur, 1 m de largeur et 50 cm d’épaisseur. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude sur la détection de défauts dans cette dalle. Grâce à un algorithme développé pendant cette thèse, un trou de 15 cm de côté peut être détecté avec un niveau de confiance de 98% à partir de 4h de prise de données. Par la suite, nous avons réalisé une étude de faisabilité en deux dimensions, dans le plan de la longueur de la dalle, afin de pouvoir reconstruire la carte de densité de la dalle de béton. Pour ce faire, nous avons dû résoudre ce qu'on appelle le problème inverse : l’estimation des paramètres d’un objet en fonction des données collectées. Ici la densité de la dalle de béton joue le rôle de paramètres à estimer et le flux de muons ayant traversés la dalle et collectés par nos détecteurs celui de données. Après analyses des différentes systématiques du problème, nous pouvons reconstruire la densité d’une dalle de béton, avec une résolution en épaisseur de 125 mm et une résolution en longueur de 437.5 mm, avec une erreur relative maximale de 12%.

A hundred years ago, pioneering observations of air ionization revealed that the Earth is showered with particles coming from the Galaxy and beyond. Because of their high energies, these particles coined cosmic-rays are still a crucial tool in the field of particle physics, complementary to man-made accelerators. From an astrophysical point of view, the origin of cosmic-rays and the mechanisms which accelerate them are still very poorly known. The present paradigm involves sporadic production associated with the expanding shock waves from dying stars (SNRs).Recent experiments (notably PAMELA and, more recently, AMS-02) are ushering us into a new era of measurements of cosmic-ray fluxes with greatly reduced statistical uncertainties. In this dissertation, we propose and investigate new theoretical refinements of our predictions to fully benefit from these advances.After a general introduction on cosmic-ray physics, we first focus on the so-called primary species which are directly produced by SNRs. In this context of precision measurements, the discreteness of the sources in space and time, together with a substantial ignorance of their precise epochs and locations (with the possible exception of the most recent and close ones) may lead to significant uncertainties in the predictions of the fluxes at the Earth. So far, the conventional approach just relied on average trends. Here, we elaborate a statistical theory in order to compute the probability for the actual flux to depart from its ensemble average. Using the generalized version of the central limit theorem, we demonstrate that the probability distribution function of the flux is intimately related to the source distribution and follows a stable law with a heavier tail than the Gaussian distribution. Our theoretical framework can not only be extended to other cosmic-ray observables, such as the lepton flux, but also can be enriched to include a more comprehensive description of the correlations between the sources. Moreover the method which we have developed may be applied to a variety of problems in physics/astrophysics involving heavy tail distributions.Secondly, we concentrate on secondary CRs, like the boron nuclei, which are thought to be produced only by the collisions of cosmic-rays on the interstellar medium. More precisely, the ratio of the boron to carbon fluxes is a traditional tool used to understand and gauge the propagation of cosmic-rays in the Galaxy. Hence a very precise measurement of this ratio should imply stringent constraints on the propagation scenario. However we show that its theoretical derivation strongly depends on where these secondary species are produced as well as on the chosen set of nuclear cross-sections. Hence we assess at the 20% level the theoretical uncertainties on the so far derived propagation parameters. As new data from AMS-02 were freshly released, we present the starting points of a comprehensive new analysis for which we use the semi-analytical code USINE.Finally these high precision measurements offer new opportunities for a number of astroparticle problems, such as indirect dark matter searches which is the main thrust of the third part of the thesis. Antimatter cosmic rays are thought to be secondary species and their relatively low fluxes make them a channel of choice to look for rare processes such as dark matter annihilation. Nonetheless, the predictions of the expected backgrounds rely on a precise modeling of cosmic-ray propagation and interactions in the Galaxy. We treat them under commonly used simplified assumptions and discuss two studies where we re-evaluate the anti-proton and the positron fluxes in the light of the new AMS-02 data. Then we discuss the implications for dark matter and astrophysical explanations., Il y a tout juste cent ans que les premières mesures du taux d'ionisation de l'air ont dévoilé que la terre est sans cesse bombardée par une pluie de particules énergétiques provenant du Cosmos. D'un point de vue astrophysique, l'origine de ces particules hautement relativistes, appelés rayons cosmiques (CRs), ainsi que leur mécanisme d'accélération restent très peu connus. Le paradigme actuel suppose une injection sporadique des CRs accélérés par la propagation d'ondes de choc au cours de la mort de certaines étoiles (SNRs).Les mesures récentes des flux de CRs (par les expériences PAMELA et AMS-02 par exemple) inaugurent une nouvelle ère de précision dans la mesure où les incertitudes statistiques sont désormais considérablement réduites. Dans ce mémoire de thèse, nous proposons et approfondissons de nouvelles pistes théoriques de manière à maximiser l'information extraite de ces nouvelles données.Après une introduction générale sur la physique des CRs, nous nous concentrons sur les espèces dites primaires, qui sont produites directement par les SNRs. De la nature discrète des SNRs et de la méconnaissance quasi-complète de leurs positions et de leurs ages résulte une incertitude théorique qui nécessite d'être estimée pour la prédiction des flux observés sur Terre. Jusqu'alors ces prédictions se contentent de calculer la moyenne d'ensemble de ce flux. Dans cette partie nous exposons la théorie statistique que nous avons élaborée, permettant de calculer la probabilité d'une déviation du flux mesuré par rapport à la moyenne d'ensemble. Nous sommes amenés à utiliser une version généralisée du théorème de la limite centrale, avec lequel nous montrons que la loi de probabilité est intimement reliée à la distribution des sources et qu'elle converge vers une loi stable. Cette dernière diffère de la loi gaussienne par sa queue lourde en loi de puissance. Le cadre théorique développé ici peut non seulement être étendu à d'autres observables du rayonnement cosmique, mais aussi enrichi en incluant une description plus complète des corrélations entre les sources. De plus, la méthode que nous avons développée peut être appliquée à d'autres problèmes de physique/astrophysique impliquant des distributions à queue lourde.Deuxièmement nous nous penchons sur les CRs dits secondaires (comme le bore), qui sont produits par les collisions des espèces primaires avec le milieu interstellaire. Plus précisément nous nous concentrons sur le rapport du flux du bore sur celui du carbone qui est traditionnellement utilisé pour comprendre la propagation des CRs. Ainsi, tout porte à croire que les mesures extrêmement précises de ce rapport nous donneraient de fortes contraintes sur les scénarios de propagation. Malheureusement il n'en est rien et nous montrons que le calcul théorique dépend fortement de certaines hypothèses telles que le lieu de production des secondaires et le choix du jeux de sections efficaces d’interaction. Nous estimons à au moins 20 % les incertitudes sur les paramètres de propagation dérivés jusqu'à maintenant. Grâce aux nouvelles données de l'expérience AMS-02, nous présentons les points de départ de notre nouvelle analyse pour laquelle nous utilisons le code semi-analytique USINE.Finalement, dans une troisième partie, nous utilisons ces données de précision pour réactualiser les analyses portant sur la recherche indirecte de matière noire. En effet, les CRs d'antimatière seraient -au même titre que le bore- des particules secondaires. La prédiction de leur fond astrophysique repose sur une connaissance précise de la propagation des CRs et de leurs interactions dans la Galaxy. Nous les traitons ici sous les hypothèses habituelles et réévaluons les flux de positrons et d'antiprotons à la lumière des nouvelles données d'AMS-02. Nous discutons ensuite les conséquences pour la matière noire et les possibles explications astrophysiques d'éventuels excès observés.

Many astrophysical observations suggest the existence of large amounts of missing mass in the Universe, from the galactic to the cosmological scale. Discovering the nature of this invisible mass forms the dark matter problem, which appears as one of the major challenges of modern physics. This thesis is established in the context of indirect detection of dark matter. The latter could consist of new elementary particles, whose annihilation products may be observed in cosmic rays. We study in this work two of the most promising research channels!: gamma-rays and anti-nuclei.The best constraints on dark matter properties from gamma-ray observations come from the dwarf spheroidal galaxies (dSphs) of the Milky Way. The first part of our work was devoted to computing the annihilation J-factors of these objects, which quantify the magnitude of the expected gamma-ray flux. We have developed an optimized Jeans analysis setup in order to reconstruct the dark matter density profiles of these objects and their associated uncertainties, using stellar kinematic data. Our optimized setup was obtained using systematic tests on numerous simulated dSphs, and we applied it to twenty-three dSphs of the Milky Way. The second part of our work was dedicated to the search for anti-helium nuclei in the cosmic ray data collected by the AMS-02 experiment on the International Space Station. We have developed a classification method using boosted decision trees, and our preliminary analysis has led to the best constraints to date on the anti-helium to helium ratio., De nombreuses observations astrophysiques indiquent l'existence de grandes quantités de masse manquante dans l'Univers, et ce de l'échelle galactique à l'échelle cosmologique. Découvrir la nature de cette masse invisible constitue le problème de la matière noire, qui apparaît comme l'un des enjeux majeurs de la physique moderne. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la détection indirecte de matière noire. Cette dernière serait composée de nouvelles particules élémentaires, dont les produits d'annihilation pourraient être observés dans le rayonnement cosmique. Nous étudions dans ce travail deux des canaux de recherche les plus prometteurs : les photons gamma et les anti-noyaux.Les objets astrophysiques permettant de placer les meilleures contraintes actuelles en rayons gamma sont les galaxies naines sphéroïdes (dSphs) de la Voie Lactée. La première partie de notre travail a été consacrée à contraindre les facteurs J d'annihilation de ces objets, qui quantifient l'amplitude des flux gamma attendus. Nous avons pour cela mis au point une configuration optimisée d'analyse de Jeans, pour reconstruire les profils de densité de matière noire et leurs incertitudes à l'aide des données cinématiques stellaires. Notre configuration a été obtenue à l'aide de tests systématiques sur de très nombreuses dSphs simulées, et nous l'avons appliquée à vingt-trois dSphs de la Voie Lactée. La seconde partie de notre travail a consisté à mener une recherche de noyaux d'anti-hélium dans les données collectées par l'expérience AMS-02 sur la Station Spatiale Internationale. Nous avons pour cela mis au point une classification par arbres de décision boostés, et notre analyse préliminaire a permis d'obtenir les meilleures contraintes actuelles sur les rapports anti-hélium sur hélium.

In this thesis, we study the transport properties of high energy charged particles in turbulent electromagnetic fields.These fields were generated by using the magnetohydrodynamic (MHD) code RAMSES, which solve the compressible ideal MHD equations. We have developed a module for generating the MHD turbulence, by using a large scale forcing technique. The MHD equations induce a cascading of the energy from large scales to small ones, developing an energy spectrum which follows a power law, called the inertial range.We have developed a module for computing the charged particle trajectories once the turbulent spectrum is established. By injecting the particles to energy such as the inverse of the particle Larmor radius corresponds to a mode in the inertial range of the Fourier spectrum, we have highlighted systematic effects related to the power law spectrum. This method showed that the mean free path is independent of the particules energy until the Larmor radius takes values close to the turbulence coherence scale. The dependence of the mean free path with the alfvénic Mach number produced a power law.We have also developed a technique to measure the anisotropy effect of the MHD turbulence in the cosmic rays transport properties through the calculation of local magnetic fields. This study has shown an effect on the pitch angle scattering coefficient, which confirmed the assumption that the particles are more sensitive to changes in small scales fluctuations.; Dans cette thèse, nous étudions les propriétés du transport de particules chargées de haute énergie dans des champs électromagnétiques turbulents.Ces champs ont été générés en utilisant le code magnétohydrodynamique (MHD) RAMSES, résolvant les équations de la MHD idéales compressibles. Nous avons développé un module pour générer la turbulence MHD, en utilisant une technique de forçage à grande échelle. Les propriétés des équations de la MHD font cascader l'énergie des grandes échelles vers les petites, développant un spectre en énergie suivant une loi de puissance, appelée zone inertielle. Nous avons développé un module permettant de calculer les trajectoires de particule chargée une fois le spectre turbulent établi. En injectant les particules à une énergie telle que l'inverse du rayon de Larmor des particules corresponde à un mode du spectre de Fourier dans la zone inertielle, nous avons cherché à mettre en évidence un effet systématique lié à la loi de puissance du spectre. Cette méthode a montré que le libre parcours moyen est indépendant de l'énergie des particules jusqu'à des valeurs de rayon de Larmor proches de l'échelle de cohérence de la turbulence. La dépendance du libre parcours moyen avec le nombre de Mach alfvénique des simulations MHD a également produit une loi de puissance.Nous avons également développé une technique pour mesurer l'effet de l'anisotropie de la turbulence MHD sur les propriétés du transport des rayons cosmiques, au travers le calcul de champs magnétiques locaux. Cette étude nous a montré un effet sur coefficient de diffusion angulaire, accréditant l'hypothèse que les particules sont plus sensible aux variations de petites échelles.

In-situ cosmogenic nuclides analysis in ancient sediment could potentially provide high-resolution records of denudation rates, integrated over whole drainage basins, and on several million-year time scales. We successfully extended this method to sediments from the Tianshan (China), and the Himalayas (Nepal) piedmonts. These two areas are at the core of ongoing debates on climate-erosion-tectonics relationships since ~10 Ma. Four sections in the Tianshan, covering ~9 Myr and a broad spatial extent around this range, do not display a brutal increase in denudation at 3-5 Ma. On the other hand, they show at the regional scale a progressive increase (x4 between 4-9 Ma) and a subsequent stabilization since ~4 Ma. These results suggest a limited influence of Quaternary glaciations on erosion in this region. One section in the Himalayan piedmont (Siwaliks hills), neither display any significant increase since ~6.5 Ma that would be link to a major climatic shift. It has nevertheless probably recorded reorganizations of the drainage system and tectonics evolutions in this region. With these studies, we were able to produce the first cosmogenic nuclides-based high resolution records of denudation rates over 10 Myr. This method being potentially applicable in many geological and climatic settings, it will indubitably allow further advances in our understanding of past and present surface processes; L'analyse dans des dépôts anciens des isotopes cosmogéniques in-situ, déjà largement employés dans les sédiments de rivières actuelles, a le potentiel de fournir des enregistrements haute résolution, sur des échelles de temps de 10 Ma, de taux de dénudations intégrés sur des bassins versant entiers. Nous avons étendu avec succès cette méthode à des sédiments des piedmonts du Tian-Shan (Chine) et de l'Himalaya (collines Siwaliks, Népal). Ces deux zones sont au coeur de débats sur l'évolution des relations climat/érosion/tectonique depuis ~10 Ma. Quatre sections au Tian-Shan, couvrant ~9 Ma, et une large étendue spatiale autour de cette chaîne, ne montrent pas de brusque accélération de l'érosion il y a ~3-5 Ma. Au contraire, nous observons à l'échelle régionale une augmentation progressive (x 4 entre 9 et 4 Ma) puis une stabilisation entre 4 Ma et l'actuel. Ces résultats suggèrent une influence limitée des cycles glaciaires quaternaires sur les taux d'érosion dans cette zone. Un enregistrement dans les sédiments himalayens ne montre également pas d'augmentation significative de l'érosion depuis ~6.5 Ma. Il est en revanche probablement le témoin de réorganisation des systèmes de drainages et d'évolutions tectoniques dans cette région. Avec ces études, nous avons ainsi pu produire pour la première fois des enregistrements haute résolution de taux d'érosion depuis ~10 Ma, grâce aux isotopes cosmogéniques. Cette méthode étant potentiellement applicable dans de nombreux contextes géologiques et climatiques, elle permettra indubitablement des avancées importantes dans la compréhension des processus de surface actuels et passés

Er and Yb are two refractory rare-earth elements that have overall similar crystallochemical properties but differ in their temperatures of condensation from the nebular gas. We developed an analytical protocol for the measurement of Er and Yb isotope compositions 1) to establish their isotopic variability in terrestrial magmatic processes 2) to compare their isotopic composition in chondrites, Earth and Moon in order to study fractionation during the high temperature condensation of vapor formed by the giant impact that generated the Moon. The range of mass-dependent isotope fractionation obtained is larger for Yb than Er isotopes. Two effects contribute to the difference between Er and Yb : a redox effect and a temperature effect.First, for terrestrial rocks, the presence of a small fraction of Yb(2+) together with the most common Yb(3+) is inferred from the positive corre- lation between δYb and the La/Yb ratio. Yb(3+) fractionates favorably into tighter bonds and, at the same time, is much more compatible than Yb(2+). Small-degree melts (kimberlite) tend to be enriched in the heavy Yb isotopes, whereas the opposite is true for residual garnets. Second, the stronger volatility of Yb with respect to Er is demonstrated by the apparent deficit of heavy Yb isotopes in the Moon with respect to the Earth, chondrites, and eucrites. Separation of vapor from melt and of heavy from light isotopes is first expected during the adiabatic expansion of the initial vapor plume. Subsequently, friction between melt and gas tends to further enrich the Moon feeding zone in silicate vapor to compensate the inward migration of melt out of the pre-lunar disk. The lighter isotope composition of Yb in lunar samples provides new evidence that the Moon formed by condensation of silicate vapor in the aftermath of the giant lunar impact.Erbium isotope ratios in lunar samples reflect for the first time the capture by 167Er of secondary neutrons produced by interactions of galactic cosmic rays with the lunar surface. The cross section of 167Er for neutron capture being particularly strong and its first resonance standing out at energies poorly covered by other nuclides, 167Er anomalies may help refine the knowledge of the neutron energy spectrum on the Moon and other planetary bodies., Nous avons développé une méthode pour analyse isotopique de Yb et Er, deux terres rares aux propriétés chimiques identiques et aux températures de condensation différentes, avec comme objectifs (1) de déterminer la variabilité isotopique de ces éléments dans les processus pétrologiques terrestres, et (2) de comparer leurs compositions isotopiques dans les chondrites, la Terre et la Lune afin de déterminer le rôle potentiel de la condensation à haute température à partir de vapeurs qui a suivi l’impact géant à l’origine de la formation de la Lune. Les résultats obtenus montrent une plus grande variabilité des fractionnements isotopiques de Yb par rapport à ceux d’Er. Deux effets contribuent à cette différence : un effet oxydo-réducteur et un effet de température.La corrélation positive obtenue entre la composition isotopique en Yb, et le rapport La/Yb dans les échantillons terrestres, peut être interprétée par la présence d’une faible fraction d’ Yb(2+), Yb étant majoritairement présent sous la forme Yb(3+). La kimberlite (liquide magmatique formé par un faible taux de fusion partielle) est enrichie en isotopes lourds et les grenats, résidus de fusion partielle, sont isotopiquement légers, tandis que les basaltes de ride ou d’îles ont des compositions isotopiques intermédiaires.La composition isotopique en Yb de la Lune est enrichie en isotopes légers par rapport à celle de la Terre et des chondrites. Dans le disque proto-lunaire, les frictions entre les phases fondues et gazeuses favorisent la migration des premiers condensats très réfractaires et enrichis en isotopes lourds vers la Terre, et celle de la vapeur enrichie en isotopes légers, vers l’extérieur, au-delà de la limite de Roche à partir de laquelle la Lune s’accrète. Ceci est un nouvel argument en faveur de la condensation de la Lune à partir de vapeur générée par un impact géant.La mesure de la composition isotopique d’Er dans les échantillons lunaires reflète pour la première fois la capture par 167Er des neutrons produits par interaction du rayonnement cosmique galactique avec la surface lunaire. L’apport de Er aux systèmes communément utilisés pour déterminer le spectre d’énergie des neutrons d’un matériau peut permettre de couvrir une gamme énergétique plus large et de disposer ainsi d’un proxy plus complet pour l’étude des histoires des irradiations des matériaux planétaires.

Double Chooz is a short-baseline experiment, located at the Chooz power plant, designed to observe the neutrino oscillation signal controlled by the θ13 mixing angle. Part of my scientific research, as a graduate student, was directed towards the development of the software needed for the calibration of the Double Chooz Inner Veto and the analysis of the data associated with this task. I was responsible for the quality tests performed in every photomultiplier prior to its installation. I completed all the necessary measurements and analysed the data, extracting the first set of gains and determining the nominal high voltage values needed to be applied in all photomultipliers. All this information served as valuable input to the detector configuration. I was also responsible for the Inner Veto photomultiplier gain analysis during the first months of data taking. I was also very actively involved in data analysis and the estimations of the various sources of background. I initiated a number of methods to isolate and study the cosmic muon events that activate the detector. Additionally I worked on the estimation of the fast neutron rate registered in the detector. The techniques I put forward played a key role and were used in the first Double Chooz publication. Finally, I developed a set of algorithms to identify and reject an instrumental background, relevant for the Double Chooz detector using topological information of the deposited charge., Double Chooz est une expérience de type «court ligne de base», auprès des réacteurs nucléaires de Chooz, qui a été conçue pour observer les oscillations des neutrinos associées à l’angle de mélange θ13. Une partie de ma recherche était axée sur le développement du logiciel requis pour l'étalonnage de l’Inner Veto de Double Chooz et à l'analyse des données qui y sont associées. J'ai été responsable des tests de qualité effectués sur tous les photomultiplicateurs avant leur installation. J'ai fait toutes les mesures nécessaires et j'ai analysé la majorité des données. Grâce à ce travail, j'ai extrait les premières valeurs des gains et j’ai déterminé les valeurs nominales des hautes tensions nécessaires pour les photomultiplicateurs. Toutes ces données nous ont aidé dans la mise au point du détecteur. Aussi j'ai été le responsable de l'analyse de l’extraction et stabilité des gains pendant l’expérience. J'ai travaillé très activement sur l'analyse des données et en particulier sur l'évaluation des différentes sources de bruit de fond. J'ai développé plusieurs techniques pour isoler et étudier les muons cosmiques qui activent le détecteur Double Chooz. J'ai également travaillé sur l'estimation du taux de neutrons rapides. Les techniques que j'ai présentées ont été utilisées dans la première publication de Double Chooz. Finalement, j'ai étudié un bruit de fond instrumental important pour le détecteur Double Chooz. J'ai développé un nouvel ensemble d'algorithmes pour identifier et rejeter ces événements pathologiques utilisant l'orientation géométrique de la charge à l'intérieur du détecteur.

AMANDA-II est un télescope à neutrinos composé d'un réseau tri-dimensionnel de senseurs optiques déployé dans la glace du Pôle Sud.Son principe de détection repose sur la mise en évidence de particules secondaires chargées émises lors de l'interaction d'un neutrino de haute énergie (> 100 GeV) avec la matière environnant le détecteur, sur base de la détection de rayonnement Cerenkov.Ce travail est basé sur les données enregistrées par AMANDA-II entre 2000 et 2006, afin de rechercher des sources cosmiques de neutrinos.Le signal recherché est affecté d'un bruit de fond important de muons et de neutrinos issus de l'interaction du rayonnement cosmique primaire dans l'atmosphère. En se limitant à l'observation de l'hémisphère nord, le bruit de fond des muons atmosphériques, absorbés par la Terre, est éliminé.Par contre, les neutrinos atmosphériques forment un bruit de fond irréductible constituant la majorité des 6100 événements sélectionnés pour cette analyse.Il est cependant possible d'identifier une source ponctuelle de neutrinos cosmiques en recherchant un excès local se détachant du bruit de fond isotrope de neutrinos atmosphériques, couplé à une sélection basée sur l'énergie, dont le spectre est différent pour les deux catégories de neutrinos.Une approche statistique originale est développée dans le but d'optimiser le pouvoir de détection de sources ponctuelles, tout en contrôlant le taux de fausses découvertes, donc le niveau de confiance d'une observation.Cette méthode repose uniquement sur la connaissance de l'hypothèse de bruit de fond, sans aucune hypothèse sur le modèle de production de neutrinos par les sources recherchées. De plus, elle intègre naturellement la notion de facteur d'essai rencontrée dans le cadre de test d'hypothèses multiples.La procédure a été appliquée sur l'échantillon final d'évènements récoltés par AMANDA-II.---------MANDA-II is a neutrino telescope which comprises a three dimensional array of optical sensors deployed in the South Pole glacier. Its principle rests on the detection of the Cherenkov radiation emitted by charged secondary particles produced by the interaction of a high energy neutrino (> 100 GeV) with the matter surrounding the detector.This work is based on data recorded by the AMANDA-II detector between 2000 and 2006 in order to search for cosmic sources of neutrinos. A potential signal must be extracted from the overwhelming background of muons and neutrinos originating from the interaction of primary cosmic rays within the atmosphere.The observation is limited to the northern hemisphere in order to be free of the atmospheric muon background, which is stopped by the Earth. However, atmospheric neutrinos constitute an irreducible background composing the main part of the 6100 events selected for this analysis.It is nevertheless possible to identify a point source of cosmic neutrinos by looking for a local excess breaking away from the isotropic background of atmospheric neutrinos;This search is coupled with a selection based on the energy, whose spectrum is different from that of the atmospheric neutrino background.An original statistical approach has been developed in order to optimize the detection of point sources, whilst controlling the false discovery rate -- hence the confidence level -- of an observation. This method is based solely on the knowledge of the background hypothesis, without any assumption on the production model of neutrinos in sought sources. Moreover, the method naturally accounts for the trial factor inherent in multiple testing.The procedure was applied on the final sample of events collected by AMANDA-II., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

One century after the discovery of cosmic rays – a flux of energetic charged particles which bombards the upper layers of Earth's atmosphere –, many questions remain still open on its origin, nature and transport. The precise measurement of the cosmic-ray ion flux aims to study the acceleration and propagation processes. In particular, the measurement of secondary-to-primary ratios allows to constrain propagation models very effectively due to its direct dependency to the grammage seen by the particles during their transport. The knowledge and the characterisation of the processes related to the propagation make it possible to reconstruct the cosmic-ray source spectrum and thus to constrain the acceleration processes, but also to test the existence of exotic contributions such as the annihilation of dark-matter particles. This thesis treats two aspects of cosmic-ray physics: the phenomenology and the detection. Concerning the phenomenological aspect, the work presented here consists in evaluating and studying the constraints on galactic cosmic-ray propagation models provided by current measurements using a Markov Chain Monte Carlo. The experimental aspect of this work concerns the participation in the construction, the validation and the data analysis of the CherCam subdetector – a Cherenkov imager measuring the charge of cosmic-ray ions for the CREAM experiment – whose preliminary results are presented.; Un siècle après la découverte du rayonnement cosmique – un flux de particules énergétiques chargées qui bombarde les couches supérieures de l'atmosphère terrestre –, beaucoup de questions restent encore ouvertes sur son origine, sa nature et son transport. La mesure précise du flux des ions du rayonnement cosmique a pour objectif d'étudier les processus d'accélération et de propagation. En particulier la mesure des rapports secondaire sur primaire permet de contraindre très efficacement les modèles de propagation car elle est directement liée au grammage vu par les particules durant leur transport. La connaissance et la caractérisation des processus liés à la propagation permet de reconstruire le spectre source du rayonnement cosmique et donc de contraindre les processus d'accélération, mais aussi de tester l'existence dans le rayonnement cosmique de contributions exotiques comme l'annihilation de particules de matière noire. Cette thèse traite deux aspects de la physique du rayonnement cosmique: la phénoménologie et la détection. Concernant l'aspect phénoménologique, le travail présenté consiste à évaluer et à étudier les contraintes que les mesures actuelles permettent d'apporter sur les modèles de propagation du rayonnement dans la Galaxie à l'aide d'un Monte Carlo par chaînes de Markov. L'aspect expérimental de ce travail porte sur la participation à la construction, la validation et l'analyse des données du sous-détecteur CherCam – un imageur Cherenkov mesurant la charge des ions du rayonnement cosmique pour l'expérience CREAM –, dont les résultats préliminaires sont présentés.

One century after the discovery of cosmic rays – a flux of energetic charged particles which bombards the upper layers of Earth's atmosphere –, many questions remain still open on its origin, nature and transport. The precise measurement of the cosmic-ray ion flux aims to study the acceleration and propagation processes. In particular, the measurement of secondary-to-primary ratios allows to constrain propagation models very effectively due to its direct dependency to the grammage seen by the particles during their transport. The knowledge and the characterisation of the processes related to the propagation make it possible to reconstruct the cosmic-ray source spectrum and thus to constrain the acceleration processes, but also to test the existence of exotic contributions such as the annihilation of dark-matter particles. This thesis treats two aspects of cosmic-ray physics: the phenomenology and the detection. Concerning the phenomenological aspect, the work presented here consists in evaluating and studying the constraints on galactic cosmic-ray propagation models provided by current measurements using a Markov Chain Monte Carlo. The experimental aspect of this work concerns the participation in the construction, the validation and the data analysis of the CherCam subdetector – a Cherenkov imager measuring the charge of cosmic-ray ions for the CREAM experiment – whose preliminary results are presented., Un siècle après la découverte du rayonnement cosmique – un flux de particules énergétiques chargées qui bombarde les couches supérieures de l'atmosphère terrestre –, beaucoup de questions restent encore ouvertes sur son origine, sa nature et son transport. La mesure précise du flux des ions du rayonnement cosmique a pour objectif d'étudier les processus d'accélération et de propagation. En particulier la mesure des rapports secondaire sur primaire permet de contraindre très efficacement les modèles de propagation car elle est directement liée au grammage vu par les particules durant leur transport. La connaissance et la caractérisation des processus liés à la propagation permet de reconstruire le spectre source du rayonnement cosmique et donc de contraindre les processus d'accélération, mais aussi de tester l'existence dans le rayonnement cosmique de contributions exotiques comme l'annihilation de particules de matière noire. Cette thèse traite deux aspects de la physique du rayonnement cosmique: la phénoménologie et la détection. Concernant l'aspect phénoménologique, le travail présenté consiste à évaluer et à étudier les contraintes que les mesures actuelles permettent d'apporter sur les modèles de propagation du rayonnement dans la Galaxie à l'aide d'un Monte Carlo par chaînes de Markov. L'aspect expérimental de ce travail porte sur la participation à la construction, la validation et l'analyse des données du sous-détecteur CherCam – un imageur Cherenkov mesurant la charge des ions du rayonnement cosmique pour l'expérience CREAM –, dont les résultats préliminaires sont présentés.

A Cherenkov imager, CherCam (CHERenkov CAMera), has been designed and buit for the CREAM (Cosmic-Ray Energetic and Mass) balloon-borne experiment. The instrument will perform charge measurements of nuclear cosmic-ray over a range extending from protron to iron in the energy range from 1E10 to 1E15 eV.The thesis was mainly focused on the development of CHERCAM by creating a simulation and the aerogel plan characterization for the radiator. But it has also expanded on the technical aspects of the construction of the detector and its various tests, as well as the development of calibration software and the analysis., Un imageur Cherenkov, CherCam (CHERenkov CAMera), a été développé et construit pour être intégré à l'expérience CREAM (Cosmic-Ray Energetic and Mass) embarquée en ballon. Cette instrument doit permettre de mesure le charge du rayonnement cosmique nucléaire allant du protron au fer dans une gamme d'énergie s'étendant de 1E10 à 1E15 eV.La thèse s'est principalement orienté sur le développement de CherCam par la création d'une simulation et de la caractérisation du plan radiateur en aérogel de silice. Mais elle s'est aussi largement étendu sur les aspects technique par la construction du détecteur et ses différents tests, ainsi que par le développement des logiciel d'étalonnage et d'analyse.

A Cherenkov imager, CherCam (CHERenkov CAMera), has been designed and buit for the CREAM (Cosmic-Ray Energetic and Mass) balloon-borne experiment. The instrument will perform charge measurements of nuclear cosmic-ray over a range extending from protron to iron in the energy range from 1E10 to 1E15 eV.The thesis was mainly focused on the development of CHERCAM by creating a simulation and the aerogel plan characterization for the radiator. But it has also expanded on the technical aspects of the construction of the detector and its various tests, as well as the development of calibration software and the analysis.; Un imageur Cherenkov, CherCam (CHERenkov CAMera), a été développé et construit pour être intégré à l'expérience CREAM (Cosmic-Ray Energetic and Mass) embarquée en ballon. Cette instrument doit permettre de mesure le charge du rayonnement cosmique nucléaire allant du protron au fer dans une gamme d'énergie s'étendant de 1E10 à 1E15 eV.La thèse s'est principalement orienté sur le développement de CherCam par la création d'une simulation et de la caractérisation du plan radiateur en aérogel de silice. Mais elle s'est aussi largement étendu sur les aspects technique par la construction du détecteur et ses différents tests, ainsi que par le développement des logiciel d'étalonnage et d'analyse.

This thesis is built in two distinct parts, treating of two different astrophysical topics: i) in the first (and main) part, work related to star formation is presented whereas ii) the second part deals with cosmic rays.When a star forms, huge bipolar ejections of material, under the form of jets and molecular outflows, are observed as accretion proceeds onto the central object. After an introduction giving a large overview of the star formation process, we focus on the different ``standard'' approaches used to model molecular outflows. An alternative and complementary model is then built: the transit model. It is a self-similar MHD model where part of the infalling material is being diverted into an outflow when approaching the central object. It is shown that the transit allows to reach the huge mass rates observed in massive star formation, in opposition to the ``standard'' approaches. The model is thoughtfully studied with a Monte Carlo exploration of the parameter space and two families of solutions are put to the fore. The transit model gives a large-scale description of the protostellar environment, showing both density and velocity structures. It is in such a medium that a jet launched from the accretion disk will propagate and a preliminary numerical study of this propagation shows that the morphology and kinematics of the jet is strongly affected by the ambient medium. We conclude in the importance of a good description of the latter and the urge of leaving the ``uniform and motionless medium'' usually used in such simulations.The second part focuses on the nuclear component of the Galactic cosmic rays. After being accelerated in supernova remnants, these nuclei propagate through the Galaxy and its halo. Eventually, some of them reach the Earth where they are detected. A good understanding of the propagation processes is compulsory in order to derive the source abundances from the measured ones.In this work, we focus on ultra-heavy nuclei, in connexion with the UHCR Experiment, and study how the local structure of the Galaxy, the so-called ``local bubble'', affects the propagation. We find that the local sub-density surrounding the Solar neighbourhood does play an important role in the determination of the source abundances and that the effect tends towards a better agreement between the source abundances and the solar abundances for these heavy nuclei. Some very crude approximations have been used in this preliminary study and we give, in a final chapter, some future developments that should be implemented., Ce travail de thèse, s'intéresse dans deux parties distinctes à deux thématiques astrophysiques indépendantes : i) certains aspects de la formation stellaire sont traités dans une première partie, alors que la seconde, plus modeste, s'intéresse au rayonnement cosmique.Lorsqu'une étoile se forme, alors que l'accrétion sur l'objet central se poursuit, de gigantesques éjections de matière se produisent sous forme de jets et flots moléculaires bipolaires. Après uneintroduction donnant une vision globale de tous les éléments impliqués dans la formation stellaire, nous présentons les modèles "standards" pour les flots moléculaires. Dans untroisième temps, nous construisons un modèle alternatif et complémentaire aux approches standards~: le modèle de transit. Il s'agit d'un modèle MHD, autosimilaire et qui considère le renversement d'un partie de l'écoulement lorsque le gaz en chute approche de l'objet central. Les résultats montrent notamment que le modèle permet de rendre compte des taux de masses observés lors de la formation des étoiles massives, taux que les modèles standards atteignent difficilement. Le modèle est étudié de façon extensive grâce à une exploration Monte Carlo de l'espace des paramètres et la mise en évidence de deux grandes familles de solutions. Le modèle de transit donne une description à grande échelle de l'environnement proto-stellaire et montre une forte structuration du milieu autant en densité qu'en vitesse. C'est dans un tel milieu que le jet issu du disque d'accrétion se propage, et une étude numérique préliminaire de cette propagation montre que la morphologie et la cinématique du jet est fortement affectée par le milieu ambiant. Nous en déduisons l'importance d'avoir un bonne description de ce dernier et la nécessité de ne pas se contenter des milieux "uniformes et au repos" généralement considérés. La seconde partie est consacrée à la partie nucléaire du rayonnement cosmique Galactique. Ce "rayonnement" est constitué de noyaux qui se sont propagés dans la Galaxie et son halo diffusif, après avoir été accélérés dans les chocs de supernovae. Certains de ces noyaux atteignent la Terre où ilssont détectés. Comprendre la propagation de ces noyaux est essentiel pour remonter, à partir des mesures, aux abondances des noyaux dans les sources. Dans ce travail, nous nous intéressons spécifiquement au cas des noyaux lourds, en connection avec l'expérience UHCRE, et regardons comment la structure locale de la Galaxie, la "bulle locale", affecte la propagation des lourds. Nous trouvons que la sous-densité locale du voisinnage solaire joue effectivement un rôle dans la détermination des abondances sources et que l'effet tend à réduire les différences entre les abondances sources et les abondances solaires des noyaux. Nous donnons enfin dans un dernier chapitre quelques perspectives pour la poursuite de cette étude.

Cosmic rays play a very special role in astrophysics and astroparticle physics, not only because they are involved in most of the energetic processes taking place in the universe, but because their very existence and the continuity of their energy spectrum (from thermal energies up to over 1020 eV) raise fruitful and unexpectedly diverse questions. The source of these energetic particles travelling across the cosmos remains largely unknown, and decades of research have not allowed one to fully undestand the link between those that are seen to radiate throughout the electromagnetic spectrum in the various astronomical sources and those that are detected in the vicinity of Earth, carrying precious information for physics in general. We propose a global and multidisciplinary approach to cosmic rays, emphasizing the necessity of considering together their three spectral dimensions: energy distribution (spectrum), angular distribution (anisotropies) and mass distribution (composition). We analyse various aspects of the problematics — theoretical, phenomenological and experimental — with some focus on ultra-high-energy cosmic rays, in relation with the Pierre Auger Observatory. But we also try to explicate the links between the different ranges of energy and to emphasize the importance of the galactic/extragalactic transition. Numerous constraints are also provided by non-thermal astronomy and nuclear astrophysics, of which we discuss some aspects that are directly related to energetic particles, to their acceleration and their propagation in the cosmos.; Les rayons cosmiques occupent une place privilégiée au sein de l'astrophysique et de la physique des astroparticules, non seulement parce qu'ils participent à la plupart des processus énergétiques à l'œuvre dans l'univers, mais parce que leur existence même et la continuité de leur spectre d'énergie (des énergies thermiques à plus de 1020 eV) soulèvent des questions d'une grande fécondité et d'une richesse inattendue. La source de ces particules énergétiques sillonnant le cosmos demeure largement inconnue, et des décennies de recherche n'ont pas permis d'élucider pleinement le lien existant entre celles que l'on voit rayonner sur toute l'étendue du spectre électromagnétique dans telle ou telle source astronomique et celles que l'on détecte au voisinage de la Terre, porteuses d'informations précieuses pour la physique en général. Nous proposons une approche globale et pluridisciplinaire du rayonnement cosmique, insistant sur la nécessité de considérer conjointement ses trois dimensions spectrales : la distribution en énergie (spectre), la distribution angulaire (anisotropies) et la distribution en masse (composition). Nous analysons divers aspects de cette problématique — théoriques, phénoménologiques et expérimentaux — avec une attention particulière au cas des rayons cosmiques ultra-énergétiques, en relation avec l'Observatoire Pierre Auger, mais nous tentons également d'expliciter les liens existant entre les différentes gammes d'énergie, et de mettre en lumière l'importance de la transition galactique/ extragalactique. De nombreuses contraintes sont également apportées par l'astronomie non-thermique et l'astrophysique nucléaire, dont nous discutons certains aspects directement liés aux particules énergétiques, à leur accélération comme à leur propagation dans le cosmos.

Cosmic rays play a very special role in astrophysics and astroparticle physics, not only because they are involved in most of the energetic processes taking place in the universe, but because their very existence and the continuity of their energy spectrum (from thermal energies up to over 1020 eV) raise fruitful and unexpectedly diverse questions. The source of these energetic particles travelling across the cosmos remains largely unknown, and decades of research have not allowed one to fully undestand the link between those that are seen to radiate throughout the electromagnetic spectrum in the various astronomical sources and those that are detected in the vicinity of Earth, carrying precious information for physics in general. We propose a global and multidisciplinary approach to cosmic rays, emphasizing the necessity of considering together their three spectral dimensions: energy distribution (spectrum), angular distribution (anisotropies) and mass distribution (composition). We analyse various aspects of the problematics — theoretical, phenomenological and experimental — with some focus on ultra-high-energy cosmic rays, in relation with the Pierre Auger Observatory. But we also try to explicate the links between the different ranges of energy and to emphasize the importance of the galactic/extragalactic transition. Numerous constraints are also provided by non-thermal astronomy and nuclear astrophysics, of which we discuss some aspects that are directly related to energetic particles, to their acceleration and their propagation in the cosmos.; Les rayons cosmiques occupent une place privilégiée au sein de l'astrophysique et de la physique des astroparticules, non seulement parce qu'ils participent à la plupart des processus énergétiques à l'œuvre dans l'univers, mais parce que leur existence même et la continuité de leur spectre d'énergie (des énergies thermiques à plus de 1020 eV) soulèvent des questions d'une grande fécondité et d'une richesse inattendue. La source de ces particules énergétiques sillonnant le cosmos demeure largement inconnue, et des décennies de recherche n'ont pas permis d'élucider pleinement le lien existant entre celles que l'on voit rayonner sur toute l'étendue du spectre électromagnétique dans telle ou telle source astronomique et celles que l'on détecte au voisinage de la Terre, porteuses d'informations précieuses pour la physique en général. Nous proposons une approche globale et pluridisciplinaire du rayonnement cosmique, insistant sur la nécessité de considérer conjointement ses trois dimensions spectrales : la distribution en énergie (spectre), la distribution angulaire (anisotropies) et la distribution en masse (composition). Nous analysons divers aspects de cette problématique — théoriques, phénoménologiques et expérimentaux — avec une attention particulière au cas des rayons cosmiques ultra-énergétiques, en relation avec l'Observatoire Pierre Auger, mais nous tentons également d'expliciter les liens existant entre les différentes gammes d'énergie, et de mettre en lumière l'importance de la transition galactique/ extragalactique. De nombreuses contraintes sont également apportées par l'astronomie non-thermique et l'astrophysique nucléaire, dont nous discutons certains aspects directement liés aux particules énergétiques, à leur accélération comme à leur propagation dans le cosmos.

The study of the hard photons production originating in heavy ion collisions from bremstrahlung radiation or from the decay of neutral mesons like π0 and η, is an original approach towards the understanding of the dynamics of nuclear reactions and of the behaviour of nuclear matter. The 4 π multidetector TAPS has been constructed for that purpose. Many european laboratories joined their efforts to achieve the equipment. It is therefore also foreseen to use it at various accelerators delivering heavy ions between 10 and 2000 MeV/u and electrons of up to 800 MeV. In the first part of this work, the reasons for the choice of TAPS are described. The second part describes the particular mechanical set up used at GANIL together with its electronics and data acquisition system. In the third part the methods for simulating the response of the detectors are explained. The fourth and last part contains the data analysis of an experiment using the reaction 129Xe + 197Au at 44 MeV/u. The first results are very stimulating and demonstrate that TAPS is well suited to the detection of photons in an important hadronic noise. It has also been demonstrated that the detection of very rare events like subthreshold pions, is possible thanks to the excellent performances of TAPS, L’étude de la production multiple de photons énergétiques provenant de l'interaction entre ions lourds ou de la désintégration de méson π0 et η produits dans ces interactions est une méthode originale devant mener a une meilleure compréhension des mécanismes induits dans ces interactions ainsi qu'a une meilleure connaissance des propriétés de la matière nucléaire. Le multidétecteur 4π TAPS se place dans ces perspectives. Dans la première partie de ce mémoire, qui en comporte quatre, nous avons présenté les éléments qui ont amené a la conception du détecteur, la description des différents éléments du dispositif expérimental et les raisons qui ont motive le choix du BaF2. La seconde partie est consacrée a la description de la configuration géométrique du multidétecteur TAPS adoptée au GANIL. Une description des autres éléments du multidétecteur tels l’électronique, le système d'acquisition et le système de contrôle par laser est donnée. Nous avons décrit dans la troisième partie l'important travail de simulation utilisant le logiciel GEANT3. Ces simulations sont nécessaires pour mieux connaitre les performances et les limitations d'un tel détecteur, et d'en optimiser la configuration géométrique. La dernière partie est consacrée au dépouillement de l’expérience 129Xe + 197Au a 44MeV/u. Il s'agit de la première expérience utilisant TAPS au GANIL. Elle nous a permis de mettre au point les méthodes d'analyses qui seront utilisées dans les expériences futures. Les résultats obtenus sont très encourageants. Ils démontrent que TAPS est tout a fait capable de détecter sans ambiguïté les photons, et ce malgré l'intense bruit hadronique et cosmique. Ainsi nous avons montre que des événements aussi rares que ceux de la production des π0 peuvent être observes grâce à TAPS

Résumé; Abstract

This thesis is dedicated towards the creation of a new direction-sensitive tool for muon flux measurement based on a thin time projection chamber with a Micromegas readout, to achieve a compact detector with an angular resolution compatible with civil engineering and geophysics imagery and monitoring applications. The main motivation is to develop a detector capable to fill the technological gap for applications with compactness and transportability constraints. The dissertation provides a review of the different existing muon detection technologies and their diverse fields of application. Two muon imaging techniques are introduced: transmission and scattering muography. Transmission muography, more suitable for big targets, is based on the attenuation of the natural-occurring cosmic-muon flux due to the opacity of the material they traverse. This non-destructive, passive technique provides original information that can be used for imaging purposes. The work covers the methodology used towards the characterization of the incidental muon flux both on the surface and in underground conditions. A detailed description of the physical processes triggered by the passage of a muon through the detector is provided. Results of the simulations of the signal formation processes are presented and discussed to justify the design choices of the key components so as to meet performance requirements in term of temporal, spatial and angular resolution. The influence of operational or external parameters such as the gain, temperature or presence of contaminants is covered as well. The thesis describes in detail the principal phases of design and assembly of the MUST2 detector, including: (i) the design of the Micromegas readout layout, (ii) the choice of gas, (iii) the conception of an electric field homogenizer, (iv) the choice of the electronics instrumentation and its trigger signal, and (v) the creation of an auxiliary system to manage the gas. The versatility of MUST2 has been proved with the successful use of different trigger options and electronics. The data is acquired by means of software developed for the CERN’s Scalable Readout System electronics and subsequently analyzed with a muon trajectory reconstruction algorithm, which retrieves the: time of passage, 2D position, zenith and azimuth angles of the muons traversing the detector. The characteristics, performance and limitations of the data acquisition chain are presented and evaluated, a series of guidelines towards the improvement of its efficiency of are provided. A series of characterization tests has been carried out in different environments: controlled muon beam, open sky, at the bottom of a valley and in underground conditions. These tests have enabled a better understanding of the performance of the detector and allowed to tune up its operational parameters. Despite the weak statistics of the test runs, the measured muon flux has shown a good correlation with the surrounding target volumes. A campaign of measurements in real field conditions has been carried out at the Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse, France) dam. The experimental results obtained are in consonance with the values anticipated by the digital model, the field transportability and the capability to perform long-term out-of-lab measurements have been demonstrated. On the downside, the impact of the external temperature on the data acquisition should be balanced out to get a steady acquisition and monitor the temporal evolution of the muon flux. In conclusion, the successful proof-of-concept trial allows to validate the MUST2 camera for transmission muography purposes.; Cette thèse est dédiée à la création d'un nouvel outil pour la mesure directionnelle du flux muonique basé sur une chambre de projection temporelle fine avec un plan de lecture Micromegas, afin d’obtenir un détecteur compact avec une résolution angulaire compatible avec les applications d’imagerie ou de monitoring en génie civil et géophysique. La principale motivation est de développer un détecteur capable de combler le vide technologique pour les applications ayant des contraintes d’encombrement et de transportabilité. Cette thèse fournit une revue des différentes technologies de détection de muons existantes et de leurs divers domaines d’application. Deux techniques de mesure de muons sont présentées : la muographie par transmission ou par diffusion. La muographie par transmission, mieux adaptée aux grandes cibles, est basée sur l'atténuation du flux naturel de muons cosmiques due à l'opacité des matériaux traversés. Cette technique passive et non-destructive fournit des informations originales qui pourront être intégrées dans une démarche d’imagerie. Le manuscrit présente la méthodologie utilisée pour la caractérisation du flux incident de muons à la fois en surface et dans des conditions souterraines. Une description détaillée des processus physiques déclenchés par le passage d'un muon à travers le détecteur est fournie. Les résultats des simulations des processus de formation du signal sont présentés et commentés pour justifier les choix du design des composants clés afin de répondre aux exigences de performance quant à résolutions temporelle, spatiale et angulaire. L'influence des paramètres opérationnels ou externes tels que le gain, la température ou la présence de contaminants est également traitée. La thèse étudie en détail les principales phases de conception et d'assemblage du détecteur MUST2, incluant (i) le design du plan de lecture Micromegas, (ii) le choix du gaz, (iii) le design d'un élément homogénéisateur de champ électrique (iv) le choix de l'instrumentation électronique et du signal de déclenchement associé au passage du muon, et (v) la création d'un système auxiliaire de gestion du gaz. La polyvalence du détecteur MUST2 a été prouvée avec l'utilisation réussie de différentes options de déclenchement et d’acquisition. Les données sont obtenues au travers d’un logiciel développé pour le système d’acquisition modulaire du CERN SRS, puis analysées avec un algorithme de reconstruction de la trajectoire, qui récupère le temps de passage, la position 2D, les angles zénith et azimut des muons qui traversent le détecteur. Les caractéristiques, les performances et les limites de la chaîne d'acquisition de données sont présentées et évaluées. Une série de directives visant à améliorer l’efficacité de la chaîne d'acquisition est proposée. Une série de tests de caractérisation a été effectuée dans différents environnements : faisceau contrôlé de muons, ciel ouvert, au fond d'une vallée et dans des conditions souterraines. Ces tests ont contribué à une meilleure compréhension des performances du détecteur et ont permis de régler ses paramètres opérationnels. Malgré les faibles statistiques des tests, les flux mesurés montrent une bonne corrélation avec les environnements ciblés. Une campagne de mesures en conditions réelles a été menée sur le barrage de Saint-Saturnin-les-Apt (Vaucluse). Les résultats expérimentaux obtenus, sont conformes aux valeurs anticipées par le modèle numérique, la transportabilité sur le terrain et la capacité à effectuer des mesures hors laboratoire à long terme ont été démontrées. En revanche, l’impact de la température externe sur l’acquisition des données devra être compensée pour obtenir une acquisition stable permettant de surveiller l’évolution temporelle du flux de muons. En conclusion, les bons résultats obtenus lors de ces tests permettent de valider la caméra MUST2 à des fins de muographie en transmission.

This thesis describes the first attempts to perform both absorption and scattering muon tomography using high granularity Micromegas detectors. This imaging technique using the free, available and harmless cosmic ray muons radiation shows great possibilities to study various sized objects. In order to make compact and precise portable devices, using one channel of electronics per readout pattern is not possible. To avoid this problem multiplexed detectors have been designed, extensively tested and used in numerous conditions. Latest developments in Micromegas design have been used such as the genetic multiplexing and the 2D strip readout using a resistive layer. The prototypes made were able to achieve a 300µm resolution at the scale of 50cm while using only 61 channels of electronics. Using these detectors, muography data taking campaigns have been performed both in the semi-controlled environment of the Saclay site of CEA and in the wild of the Giza plateau in Egypt. These two campaigns succeeded in imaging the CEA Saclay water tower and the Khufu's pyramid despite the extreme conditions endured by the Micromegas muon telescopes. Large temperature variations of a few tens of Kelvin have been recorded together with a stable operation i.e. an even gain ensuring a steady self triggering system. This stability was achieved using high voltage variations with respect to the environmental conditions. Together with this very first worldwide operation of a Micromegas-based tracker outside a laboratory, scattering muographies have also been done. A small setup imaging handheld objects performed well in separating various materials in time scales of the order of the day while a bigger 1m² setup allowing the scan of a full container was successfully operated. The inversion of the ill-posed problem of the muon scattering was performed using the crude PoCA method and the maximum likelihood one described by Schultz et al.; Cette thèse décrit les premiers essais de tomographie muonique par absorption et par déviation en utilisant des détecteurs Micromegas à haute granularité. Cette technique d'imagerie utilisant les rayons cosmiques gratuits, sans dangers et disponibles partout a démontré sa capacité à imager des objets de tailles variées. Afin de construire des outils compacts, précis, et portables, utiliser une voie d'électronique pour lire chaque motif de lecture est impossible. Pour éviter ce problème, des détecteurs multiplexés ont été conçus, testés et mis en situation dans différentes conditions. Il a été tiré parti des dernières améliorations concernant le détecteur Micromegas telles que le multiplexage génétique ou la lecture 2D par pistes sous une couche résistive. Les prototypes qui ont été fabriqués ont atteint une résolution de 300µm sur une surface d'un quart de mètre carré en ne nécessitant que 61 voies d'électronique. Grâce à ces détecteurs, des campagnes de prise de données ont été faites, à la fois dans l'environnement semi-contrôlé du centre CEA de Saclay et sur le plateau de Gizeh en Egypte. Ces deux campagnes ont permis d'imager avec succès le château d'eau du CEA Saclay ainsi que la pyramide de Khéops et ce malgré les conditions extrêmes que les télescopes à muon ont endurées. Des variations de température de plusieurs dizaines de Kelvin ont été enregistrées alors que l'acquisition de données se déroulait de manière stable, c'est-à-dire que les variations du gain n'impactaient pas le système d'auto déclenchement. Cette stabilité a été rendue possible grâce à un ajustement des hautes tensions vis à vis des conditions environnementales. Cela constitue la première mondiale concernant le fonctionnement d'un dispositif de reconstruction de trace à base de Micromégas en extérieur. En parallèle des expériences de muographie par déviation ont été menées. Un dispositif imageant des objets de petite taille est capable de distinguer divers matériaux sur une échelle de temps de l'ordre d'une journée. Une plus grande installation a permis d'imager un conteneur entier. La résolution du problème inverse a été faite en utilisant à la fois l'algorithme simple dit du PoCA ainsi que celui de maximisation de vraisemblance proposé par Schultz et son équipe.