This thesis presents first measurements of moments of the hadronic n_X^2 distribution measured in inclusive semileptonic decays of B mesons to final states containing a charm quark, B->Xc l nu. The variable n_X^2 is a combination of the invariant mass of the charmed meson m_X, its energy in the B-meson rest-frame E_X, and a constant \tilde{\Lambda} = 0.65 GeV, n_X^2 = m_X^2 c^4 - 2 \tilde{\Lambda} E_X + \tilde{\Lambda}^2. The moments <n_X^k> with k=2,4,6 are measured as proposed by theory to constrain assumptions made in the theoretical description of inclusive observables in semileptonic B-meson decays. This description uses Heavy Quark Expansion (HQE), an effective QCD combined with an Operator Product Expansion. The measurement is based on a sample of 231.6 million e+e- -> Y(4S) -> B\bar{B} events recorded with the BABAR experiment at the PEP-II e+e--storage rings at SLAC. We reconstruct the semileptonic decay by identifying a charged lepton in events tagged by a fully reconstructed hadronic decay of the second B meson. Correction procedures are derived from Monte Carlo simulations to ensure an unbiased measurement of the moments of the n_X^2 distribution. All moments are measured requiring minimum lepton momenta between 0.8 GeV/c and 1.9 GeV/c in the rest frame of the B meson. Performing a simultaneous fit to the measured moments <n_X^k> up to order k=6 combined with other measurements of moments of the lepton-energy spectrum in decays B->Xc l nu and moments of the photon-energy spectrum in decays B->Xs gamma, we determine the quark-mixing parameter |V_{cb}|, the bottom and charm quark masses, the semileptonic branching fraction BR(B->X l nu), and four non-perturbative heavy quark parameters. Using HQE calculations in the kinetic scheme up to order 1/m_b^3 we find |V_{cb}| = (41.65 +- 0.43 +- 0.40 +- 0.58) x 10^{-3} and m_b = (4.570 \pm 0.033 \pm 0.043)GeV/c^2, where the first uncertainty refers to experimental contributions, the second to uncertainties in the HQE, and the third to theoretical uncertainties in the calculations of the semileptonic decay rate. All obtained results are consistent with previous determinations. The inclusion of the moments <n_X^6> decreases the uncertainty on the HQE parameters mu_{pi} and rho_{D}. Furthermore, the theoretical treatment of higher order corrections in the HQE used for the moments <m_X^k> has been verified with these new measurements.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Grâce à la grande section efficace de production de paires bb, LHC offre une excellente occasion de faire des études de courants neutres changeant la saveur. Ces transitions sont sensibles aux effets de nouvelle physique. Cette thèse porte sur l'analyse des événements B->K*ee qui permettent de mesurer la fraction de photon avec une polarisation droite et donc de rechercher des signaux de nouvelle physique émis dans la transition b ->s. En effet, dans le Modèle Standard, la polarisation des photons est gauche. La paire e+e, lors que la masse invariante de la paire de leptons est basse, provient d'un photon virtuel et permet donc de sonder la polarisation de celui-ci. Cette mesure se fait grâce à l'étude des distribution angulaires de cette désintégration à quatre corps. Une première étape est la mesure du rapport d'embranchement dans le domaine de masse 30-1000MeV=c2. En effet, cette désintégration n'a jamais été observée dans cette région, y compris auprès des usines a B a cause du très faible rapport d'embranchement. Cette analyse comportant des électrons de basse impulsion transverse est expérimentalement complexe dans un environnement tel que celui du LHC. La mesure est faite relativement au rapport d'embranchement de la désintégration B->J/Psi(ee)K*. En effet, cela permet de s'affranchir de nombreux effets expérimentaux ainsi que de la détermination absolue des efficacités. Le résultat, repose sur les données collectées par LHCb en 2011 et correspondant a une luminosité intégrée de 1 fb-1: B(B->K*ee)30-1000MeV = (3:19+0:75-0:68(stat) +/- 0:21(syst) =/-0.15(PDG)) x10-7 en utilisant la valeur PDG pour le rapport d'embranchement de la désintégration B->J/Psi(ee)K*. La dernière partie de la thèse porte sur des études Monte Carlo qui montrent que la précision sur la fraction de photon avec une polarisation droite que l'on peut espérer obtenir avec l'inclusion des données de 2012 est d'environ 0.1, comparable à la moyenne mondiale obtenue avec des méthodes différentes. / The high bb cross section produced by the LHC offers an excellent opportunity for thestudy of flavour changing neutral current B decays, where the effects of new physics can be probed. This thesis presents an analysis of the rare decay B->K*ee which can be used to measure the polarisation of the photon in the b -> s transition. When the dilepton mass is low, the ee pair comes predominantly from a virtual photon, and the polarisation can be accessed via an angular analysis. It is predicted to be predominantly left handed in the Standard Model, and therefore an enhanced right handed amplitude would be a sign of new physics. A first step is to measure the branching fraction in the dilepton mass range, 30 MeV to 1 GeV. This decay has not yet been observed in this region, due to its small branching ratio. The analysis involves electrons with low transverse momentum, and is thus experimentally complex in the hadronic environment at the LHC. The branching ratio is measured relative to that of B->J/Psi(ee)K*, which eliminates both certain experimental effects, and the need to determine absolute effciencies. The result is obtained with an integrated luminosity of 1 fb-1 of pp collisions, collected by LHCb during 2011 and is found to be:B(B->K*ee)30-1000MeV = (3:19+0:75-0:68(stat) +/- 0:21(syst) =/-0.15(PDG) x10-7 when using the PDG value for the B->J/Psi(ee)K* branching ratio. The last part of the thesis presents Monte Carlo studies, showing that with the inclusion of the 2012 data sample, the expected sensitivity on the fraction of right handed polarisation is approximately 0.1, which is comparable with the world average obtained with different methods.

Les désintégrations charmées rares interviennent principalement via des courants neutres changeant la saveur (FCNC). Le Modèle Standard (SM) n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Dans les désintégrations du charme, les FCNC sont sujets à une très efficace suppression de GIM. Des processus très rares sont donc à considérer. Ils sont d'excellents outils pour la recherche Nouvelle Physique (NP) au-delà du SM. Les particules de NP pourraient devenir détectables en écartant des observables telles que des rapports de branchement et des asymétries CP et angulaires prévisions de le SM. Le sujet principal de cette thèse est la mesure du rapport de branchement D0->K-π+ρ/ω(->µ+µ-). Il sera précieux en particulier en tant que mode de normalisation lors de l'étude de toutes les désintégrations D0 -> h-h’+ µ+µ- : D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- et D0 -> K+π-µ+µ-. En utilisant 2/fb de données collectées par LHCb en 2012, nous mesurons: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. C'est la toute première mesure de ce mode. Nous avons également étudié la sensibilité qu'attendra LHCb dans les modes D0 -> h-h’+ µ+µ- pour la mesure de rapport des branchements totaux et partiels, et pour celle d'asymétries, avec les échantillons de données qui seront collectés d'ici 10 ans. Par ailleurs, nous avons déterminé les incertitudes systématiques touchant les recherches de désintégrations à trois corps, D+(s) -> π+µ+µ- et D+(s) -> π-µ+µ+, effectués par LHCb dans les données recueillies en 2011 (1/fb). Enfin, les tests effectués sue les prototypes des cartes d'électronique embarquée qui assureront la lecture des calorimètres de l'expérience le LHCb mise à jour sont présenté dans cette thèse. / Rare charm decays proceed mostly through the c -> u Flavor Changing Neutral Current (FCNC), which is possible only at loop level in the Standard Model (SM). In charmed decays, FCNCs are subject to a very efficient GIM suppression, leading to very rare processes. Consequently, rare charm decays are good tools to probe to New Physics (NP) beyond the SM. NP particles could become detectable by causing observables such as branching ratios and CP or angular asymmetries to deviate from the SM predictions. The main subject of this thesis is the measurement of the branching ratio of the D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-) mode. It will be precious in the future, in particular as a normalization mode in the study of all: D0 -> h-h’+ µ+µ- decays D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- and D0 -> K+π-µ+µ-. Using 2/fb of 2012 LHCb data we find: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. This is the first measurement of this mode. We also determined sensitivities to total and partial branching fractions and asymmetries in D0 -> h-h’+ µ+µ- decays with future LHCb datasets. In addition, the systematic uncertainties affecting the searches for the 3-body decays, D+(s) -> π+µ+µ- and D+(s) -> π-µ+µ+, carried out by LHCb based on the data collected in 2011 (1/fb). Finally, the results of the tests of front-end electronic board for the Upgrade of LHCb are presented.

In dieser Arbeit wird die Messung zweier fundamentaler Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik diskutiert: der Betrag des CKM Matrixelements Vcb und die b-Quarkmasse. / In this work, the preliminary measurements of two fundamental parameters of the Standard Model of particles physics are presented: the CKM matrix element Vcb, and the b-quark mass.

Des progrès expérimentaux importants sont en cours dans l’étude des désintégrations rares de mésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail présent mesure la portée indirecte de ces progrés sur des extensions supersymétriques du modèle standard. Même dans des modèles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersymétriques. La précision gagnée par les facteurs de forme et les corrections d’ordre supérieur nouvellement implémentés dans le programme public ”SuperIso” montrent alors leur importance. / There are fast progresses in the experimental study of rare decay sof mesons containing a b-quark, and involving a pair of leptons and an s-quark. The present work measures the indirect implications of these progresses on the supersymmetric extensions of the Standard Model. Even within constrained models, the indirect limits obtained in this way can in some cases be stronger than those coming from direct searches of supersymmetric particles. The accuracy gained by the form factors and higher order corrections newly implemented in the public code ”SuperIso” are then fully relevant.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée / The Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organisation for Nuclear Research) has been in operation since 2009 at the border between France and Switzerland. This particle accelerator has provided a significant quantity of proton-proton collisions, at center of mass energies of 7 TeV (2010 and 2011) and 8 TeV (since April 2012). One of the purposes of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which records and analyses those collisions, is the search for Higgs bosons. In the Standard Model, this particle would be the quantum of the Higgs field, thought to explain the electroweak symmetry-breaking mechanism. One of the most sensitive channels for the search for a light Higgs boson (i.e. for masses between 90 GeV=c2 and 150 GeV=c2) at the LHC is through its decay into two photons. Indeed, the production of two highly energetic and isolated photons in the final state is a clean signal in hadronic collisions, despite the small branching ratio. Moreover, at these masses, the width of the reconstructed invariant mass peak is dominated by the detector resolution. Hence, a precise understanding of the photon object as reconstructed by the experiment is required. The first part of the work presented here is the study of radiative decays Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ these decays are the only Standard Model source of high purity certified photons, for which the transverse momentum of the photon is relatively similar to the one of the photons coming from a Higgs boson decay. The study of these decays enables the determination of the differential photon energy scale in the 7 TeV data. These decays have also been used in the 8 TeV data as a validation tool of photon cluster shape variables in the simulation, and also as a way to determine the electron rejection criteria efficiency. The second part of the work concerns the search for a Higgs boson decaying into two photons. This search is done in several event classes in order to increase the sensitivity of the analysis, the study of the class separation procedure is presented. Finally, a benchmark study for the search for a Higgs boson decaying into two photons via vector-like top-partner decays at 14 TeV has been performed

L'expérience LHCb a été conçue pour étudier la physique des saveurs, dont entre autre la violation de CP, sur le collisioneur proton-proton LHC.La première phase de fonctionnement du LHC a durée de 2011 à 2012, ce qui a permis à LHCb de collecter $3.19~mathrm{fb}^{-1}$ de données à une énergie dans le centre de masse des collisions de $sqrt{s} = 7~TeV$ et $sqrt{s} = 8~TeV$.L'analyse présentée dans cette thèse est basée sur l'ensemble des données collectées par LHCb lors de la première phase de fonctionnement (2011-2012).Le mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) est le mécanisme décrivant la violation de CP dans le cadre du Modèle Standard.Les expériences de la décennie précédente, dédiées à la physique des saveurs, BaBar et Belle, ont permis de démontrer le fonctionnement du mécanisme CKM et de démontrer qu'il est majoritairement Standard.`A présent LHCb a pour objectif de mesurer avec précision les paramètres de ce mécanisme, ce qui constitue des points de références du Modèle Standard, pour en parallèle rechercher de manière indirecte de la Nouvelle Physique en recherchant des déviations à ces points de références du Modèle Standard.Les travaux réalisés lors de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du premier axe de recherche: réaliser des mesures de précision des paramètres du mécanisme CKM pour contraindre le Modèle Standard.Dans cette thèse nous réalisons la mesure la plus précise à l'heure actuelle du rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0tobar{D}^0K^+K^-}$, la première observation des modes ${B^0_stobar{D}^0K^+K^-}$ et ${B^0_stobar{D}^{*0}phi}$ avec mesure de la polarisation de ce dernier, la confirmation de la mesure du rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0_stobar{D}^0phi}$, ainsi que des limites supérieures sur le rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0tobar{D}^0phi}$ et sur l'angle de mélange des mésons ${omega - phi}$.L'observation de ces modes ${B^0_{(s)}tobar{D}^0K^+K^-}$ et sous modes ${B^0_{(s)}tobar{D}^{(*)0}phi }$ permet de préparer les futures analyses de Dalitz de ces modes qui contribueront, en les combinant avec les autres méthodes, à améliorer la précision sur la mesure de la phase complexe $gamma$ du mécanisme CKM. / The LHCb experiment has been designed to study flavor physics, notably CP violation, on the LHC proton-proton collider.The first LHC run goes from 2011 to 2012, during what LHCb saved $3.19~mathrm{fb}^{-1}$ of data with a collision centre-of-mass energy at ${sqrt{s} = 7~TeV}$ and ${sqrt{s} = 8~TeV}$.The analysis presented in this thesis is based on a data sample corresponding to the full first run of the LHC (2011-2012).The Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes CP violation in the Standard Model.In the previous decade, two dedicated experiments to flavor physics, BaBar and Belle, proved that the CKM mechanism is at work and dominated by Standard effects.Now LHCb aim is to improve precision on measurements of CKM parameters, in order to serves as the Standard Model reference points, to make in parallel indirect search of New Physics looking for deviations from the Standard Model reference points.Accurate measurements of CKM parameters through different processes provide sensitivity to new physics effects, by testing the global consistency of the Standard Model.This thesis is included inside the first LHCb aim: to improve CKM parameters measurements to constrain the Standard Model.This thesis reports the most precise measurement to date of the branching fraction of ${B^0tobar{D}^0K^+K^-}$ decay, the first observation of the decays ${B^0_stobar{D}^0K^+K^-}$ and ${B^0_stobar{D}^{*0}phi}$ with a polarization measurement for the second one, confirmation of the branching fraction measurement of ${B^0_stobar{D}^0phi}$, and upper limits on branching fraction of ${B^0tobar{D}^0phi}$ decay and on ${omega - phi}$ mixing angle.The observation of ${B^0_{(s)}tobar{D}^0K^+K^-}$ and ${B^0_{(s)}tobar{D}^{(*)0}phi }$ decays prepare the Dalitz analysis for these channels which will be used, combined with other methodes, to improve measurement on the $gamma$ complex-phase of the CKM mechanism.

Les désintégrations rares B0(s)→ll sont générées par des courants neutres avec changement de la saveur. Pour cette raison, ainsi qu'à cause de la suppression d'hélicité, leurs taux de désintégration sont très petits dans le Modèle Standard (MS), mais la présence de particules virtuelles de Nouvelle Physique peut radicalement modifier cette prédiction. Une partie du travail original présenté dans cette thèse est dédié à l'optimisation de l'algorithme d'Analyse Multi Varié (MVA) pour la recherche de la désintégration B0(s)→μμ avec l'échantillon collecté par l'expérience LHCb. Cet échantillon a été combiné avec celui collecté par l'expérience CMS et pour la première fois la désintégration B0(s)→μμ a été observée. En vue d'améliorer la sensibilité au mode B0(s)→μμ de nouvelles études ont également été menées pour augmenter la performance des analyses multivariées. Une autre partie du travail original présenté dans cette thèse concerne la définition d'une chaine de sélection pour la recherche des désintégrations B0(s)→τ τ dans l'état final où les deux τ vont en trois π chargées et un τ est étudié. La présence des deux ν dans l'état final de la désintégration rend difficile une reconstruction des impulsions des deux τ. Cependant, la possibilité de mesurer les deux vertex de désintégration des τ ainsi que le vertex d'origine du candidat B, permet d'imposer des contraintes géométriques qui peuvent être utilisées dans la reconstruction des impulsions des deux τ. En particulier, un nouvel algorithme pour la reconstruction complété, événement par événement, de ces impulsions et de leurs variables associées est présenté et discuté. / The B0(s)→ll decays are generated by Flavor Changing Neutral Currents, hence they can proceed only through loop processes. For this reason, and because of an additional helicity suppression, their branching ratios are predicted to be very small in the Standard Model (SM). A part of the original work presented in this thesis has been devoted to the optimization of the Multi Variate Analysis classifier for the search of the B0(s)→μμ with the full dataset collected at LHCb. This dataset has also been combined with the one collected from CMS to obtain the first observation of B0(s)→μμ has been obtained. In view of the update of the analysis aiming to improve the sensitivity for the B0(s)→μμ mode, a new isolation variable, exploiting a topological vertexing algorithm, has been developed and additional studies for a further optimization of the MVA classifier performances have been done. The presence of two ν in the final state of the decay makes the reconstruction of the τ momenta of the two τ. Nevertheless the possibility of measuring the two decay vertexes of the τ, as well as the B candidate production vertex, allows to impose geometrical constraints that can be used in the reconstruction of the τ momenta. In particular, a new algorithm for the full reconstruction of each event of these momenta and of related variables has been presented and discussed.