Cette these a pour sujet la recherche de nouvelle physique et l'etude de la production Drell-Yan dans le canal di-electron a l'aide du detecteur CMS au LHC. Certaines theories au dela du Modele Standard (extra dimensions, theories de grande unification) predisent l'existence de particules massives pouvant se desintegrer en une paire d'electrons. La selection des evenements recherches est presentee et etudiee. La strategie d'analyse est introduite et testee. Enfin, l'analyse des premieres donnees a 7 TeV est decrite et les resultats sont commentes. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Détection et identification de la réaction quark + anti-quark -> e+ + e- à l'aide du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) auprès du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Cette réaction permet de tester avec précision le Modèle Standard et de rechercher d'éventuelles nouvelles particules (Z') prédites par les théories de grande unification (GUT) et par les modèles à dimensions spatiales supplémentaires. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

In recent years, there has been a large interest in the subject of extra dimensions in particle physics. In particular, a number of models have been suggested which provide solutions to some of the problems with the current Standard Model of particle physics, and which could be tested in the next generation of high-energy experiments. Among the most important of these models are the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopoulos, and Dvali, the universal extra dimensions model, and models allowing right-handed neutrinos to propagate in the extra dimensions. In this thesis, we study phenomenological aspects of these three models, or simple modifications of them.   The Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model attempts to solve the gauge hierarchy problem through a volume suppression of Newton's gravitational constant, lowering the fundamental Planck scale down to the electroweak scale. However, this solution is unsatisfactory in the sense that it introduces a new scale through the radius of the extra dimensions, which is unnaturally large compared to the electroweak scale. It has been suggested that a similar model, with a hyperbolic internal space, could provide a more satisfactory solution to the problem, and we consider the hadron collider phenomenology of such a model.   One of the main features of the universal extra dimensions model is the existence of a potential dark matter candidate, the lightest Kaluza-Klein particle. In the so-called minimal universal extra dimensions model, the identity of this particle is well defined, but in more general models, it could change. We consider the indirect neutrino detection signals for a number of different such dark matter candidates, in a five- as well as a six-dimensional model.   Finally, right-handed neutrinos propagating in extra dimensions could provide an alternative scenario to the seesaw mechanism for generating small masses for the left-handed neutrinos. Since extra-dimensional models are non-renormalizable, the Kaluza-Klein tower is expected to be cut off at some high-energy scale. We study a model where a Majorana neutrino at this cutoff scale is responsible for the generation of the light neutrino masses, while the lower modes of the tower could possibly be observed in the Large Hadron Collider. We investigate the bounds on the model from non-unitarity effects, as well as collider signatures of the model. / QC 20110324

The beam intensity of the Large Hadron Collider will be significantly increased during the Phase-II long shut down of 2024-2026. Signal processing techniques that are used to extract the energy of detected particles in ATLAS will suffer a significant loss in performance under these conditions. This study compares the presently used optimal filter technique to alternative machine learning algorithms for signal processing. The machine learning algorithms are shown to outperform the optimal filter in many relevant metrics for energy extraction. This thesis also explores the implementation of machine learning algorithms on ATLAS hardware. / Graduate

The LHC (Large Hadron Collider) will have a long shut down in the years of 2019 and 2020, referred to as LS2. During this stop the LHC injector complex will be upgraded to increase the luminosities, which will be the first step of the high luminosity LHC program (which will be realized during LS3 that takes place in 2024-2026). The LHCb experiment, whose main purpose is to study the CP-violation, will during this long stop be upgraded in order to withstand a higher radiation dose, and to be able to read out the detector at a rate of 40MHz,compared to 1MHz at present. This change will improve the trigger efficiency significantly. One of the LHCb sub-detectors the Trigger Tracker (TT), will be replaced by a new sub-detector called UT. This report presents the early stage design (preparation for mock-up building) of the box that will be isolating the new UT detector from the surroundings and to ensure optimal detector operation. Methods to fulfill requirements such as light and gas tightness, Faraday-cage behavior and condensation free temperatures, without breaking the fragile beryllium beam pipe, are established. / LHC (Large Hadron Collider) kommer under åren 2019-2020 att ha ett längre driftstopp. Under detta driftstopp så kommer LHC's injektionsanordningar att uppgraderas för att kunna sätta fler protoner i circulation i LHC, och därmed öka antalet partikelkollisioner per tidsenhet. Denna uppgradering kommer att vara första steget i "High Luminocity LHC"-programmet som kommer att realiseras år 2024-2026. LHCb-experimentet, vars främsta syfte är att studera CP-brott, kommer också att uppgraderas under stoppet 2019-2020. Framför allt så ska avläsningsfrekvensen ökas från dagens 1MHz till 40MHz, och experimentet ska förberedas för de högre strålningsdoser som kommer att bli aktuella efter stoppet 2024-2026. En av LHCb's deldetektorer, TT detektorn, kommer att bytas ut mot en ny deldetektor som kallas UT. Den här rapporten presenterar den förberedande designen av den låda som ska isolera UT från dess omgivning och försäkra optimala förhållanden för detektorn. Kraven på den isolerande lådan och tillvägagångssätt för att uppfylla dessa krav presenteras. / LHCb, LS2 and LS3 Upgrade

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées. / In the Standard Model of particle physics, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the quark mixing effect. The CKM gamma angle is one of the parameters of the Standard Model that are known less accurately. Direct measurements give an uncertainty of around 15º, large with respect to the uncertainty on the value extracted from global fits, of 3º. In order to test the Standard Model consistency, the gamma angle needs to be measured precisely. This can be done using processes at the tree-level, where only Standard Model contributions are expected, or using processes involving loop diagrams, which can be sensitive to physics beyond the Standard Model. Differences in the gamma measurement from tree and loop diagrams would be an indication of new physics. This thesis presents the first measurement of the CP observables in the B0 -> DK*0 decay. Sensitivity to gamma arises from the interference of the b -> u mediated amplitude with the b -> c one, at the tree-level. The CP asymmetry of the B0 -> D(K+K-)K*0 mode and the partial width ratio of this channel with respect to B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using 1 /fb of data collected by the LHCb experiment in 2011,A_KK_d = -0.452 +/- 0.230 +/- 0.025 = A_CP+,R_KK_d = 1.360 +/- 0.366 +/- 0.075 = R_CP+. The CP asymmetry of the suppressed B0 -> D(K-pi+)K*0 mode and the partial width ratio with respect to the favoured B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using the total 3 /fb of data collected in 2011 and 2012,A_sup_d = -0.094 +/- 0.318 = A_ADS,R_d = 0.075 +/- 0.023 = R_ADS. In addition, the studies performed on the hardware hadronic trigger of the LHCb experiment are also presented.

Le sujet de la présente thèse porte sur la recherche de nouvelles particules très massives se désintégrant en une paire électron-positron avec le détecteur CMS.<p>Le démarrage en 2010 du Large Hadron Collider au CERN marque le début d'une nouvelle ère en physique des particules. L'énergie et l'intensité de ses faisceaux de protons, inégalées à ce jour, offre en effet la possibilité d'étudier les lois décrivant les constituants ultimes de la matière et leurs interactions à des énergies jusqu'alors inaccessibles et d'étudier des processus rares. <p>La découverte récente par les expériences ATLAS et CMS du boson scalaire prédit par la théorie de la brisure de symétrie électro-faible constitue ainsi la première percée du programme de recherche du LHC et confirme la théorie actuelle décrivant la physique subatomique, le Modèle Standard. <p>Il est cependant largement admis que cette théorie, bien que hautement prédictive et jamais mise en défaut expérimentalement jusqu'à présent, ne constitue qu'une approximation à basse énergie d'une théorie plus fondamentale. <p>Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules, prédites par plusieurs modèles au delà du Modèle Standard, via leur désintégration en une paire électron-positron de haute énergie. <p>La reconstruction et la sélection des électrons de haute énergie par le détecteur CMS sont des éléments centraux de cette analyse et sont étudiées en détail. Divers critères sont développés afin de distinguer les électrons des autres types d'objets physiques produits lors de collisions de protons, tels que les jets. L'intensité des faisceaux du LHC est telle que plusieurs collisions ont lieu simultanément dans le détecteur et il est montré que l'efficacité de sélection des électrons dépend fortement du nombre de ces interactions. Une technique est donc mise au point pour corriger cet effet. <p>Une méthode pour mesurer l'efficacité de la sélection directement sur les données est également développée. Celle-ci permet de confirmer les mesures obtenues à partir de simulations, jusqu'à des impulsions transverses de plusieurs centaines de GeV. <p>Le spectre de masse des paires diélectron est établi pour les données enregistrées en 2012 à une énergie dans le centre de masse des protons de 8 TeV, et un excès localisé d'événements est recherché. Aucune déviation significative par rapport au bruit de fonds attendu n'est observée et des limites très contraignantes sont établies sur le rapport de la section efficace de production d'une nouvelle résonance diélectronique et de celle mesurée au pic du boson Z. Ces résultats sont utilisés pour fixer des limites inférieures sur la masse de nouvelles particules prédites par certains modèles. <p>Le redémarrage du LHC en 2015 avec une énergie de 6.5 TeV par faisceau de proton élargira fortement le potentiel de découverte de ces résonances. En cas de découverte d'un signal, ses propriétés (telles que le spin ou l'asymétrie avant-arrière) seront étudiées avec attention. Des projections sur la précision qui pourrait alors être atteinte pour ces mesures sont donc finalement présentées en fonction de la luminosité intégrée collectée. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse a été réalisée dans le cadre du LHC (Large Hadron Collider). Le LHC produit des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV au CERN depuis mars 2010. C'est le collisionneur doté de la plus grande énergie dans le centre de masse et de la plus grande intensité de faisceaux jamais construit ;ce qui permet de pouvoir rechercher des processus physiques très rares associés à des énergies encore jamais atteintes. L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid), au LHC, est un détecteur généraliste pour de nombreuses études de physique. CMS va fournir un outil très précieux pour tester la physique à l'échelle du TeV. Il possède des caractéristiques qui en font un excellent détecteur pour la reconstruction et la mesure des leptons.<p><p>Le Modèle Standard de la physique des particules élementaires décrit les particules élementaires et trois des quatre interactions fondamentales (l'électromagnétisme, la force faible et la force forte). La volonté de décrire les quatre forces fondamentales en une seule et même théorie, ainsi que des insuffisances du Modèle Standard, ont mené les physiciens à élaborer de nouvelles approches théoriques. Plusieurs de ces théories prédisent l'existence de nouveaux bosons massifs, pouvant se désintégrer en une paire de leptons chargés. L'objet de cette thèse est la recherche de tels bosons massifs se désintégrant en une paire ee ou e-mu dans le détecteur CMS, en utilisant les données prises au LHC en 2010 (35 pb-1) et en 2011 (3.35 fb-1).<p><p>A priori, les canaux dileptoniques sont appropriés pour rechercher des signaux de nouvelle physique dans la phase de démarrage d'un collisionneur hadronique. Néanmoins, il est important de vérifier que la réponse du détecteur, décrite par les simulations détaillées de celui-ci, est conforme aux attentes. Ceci constitue une partie importante de ma thèse. <p><p>J'ai mis en évidence au cours de ce travail, au moyen de simulations par Monte Carlo, que le processus t-tbar contribuait de façon significative au bruit de fond pour les paires de leptons de même saveur, juste après le processus de Drell-Yan par ordre d'importance. Je me suis alors consacré à l'étude de ce bruit de fond et à la vérification des prédictions des simulations à partir des données. <p><p>J'ai mis en place une méthode originale de mesure du bruit de fond dileptonique, incluant le t-tbar, en exploitant le taux d'embranchement des processus dileptoniques en paires e-mu, deux fois plus important que le taux d'embranchement en paires de leptons de mêmes saveurs. Cette méthode, appelée la méthode e-mu, a permis de vérifier avec précision la prédiction des générateurs pour la simulation des processus dileptoniques dans le canal e-mu en 2010.<p> <p>Enfin, cette expertise m'a permis de rechercher une résonance dans le spectre de masse des paires e-mu en 2011 et de mettre des limites sur un modèle particulier à dimensions supplémentaires prédisant la coexistence de nouveaux bosons massifs dont certains se désintègrent sans conserver les nombres leptoniques. Pour ce modèle particulier, des limites supérieures à 95% C.L. sur les sections efficaces ont été placées respectivement à 1.37 x 10^{-3}, 1.33 x 10^{-3} et 1.32 x 10^{-3} pb pour des résonances de 1, 1.5 et 2 TeV. Pour un modèle généraliste de résonance Z' se désintégrant en une paire e-mu de charges opposées, des limites supérieures à 95% C.L. de 3.0, 3.0 et 3.0 événements ont aussi été placées pour les trois points de masse. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This thesis presents the search for the dark sector process h -> Zd Zd -> 4l in events collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in 2015--2018. In this theorized process, the Standard Model Higgs boson (h) decays to four leptons via two intermediate Beyond-the-Standard-Model particles each called Zd. This process arises from interactions of the Standard Model with a dark sector. A dark sector consists of one or more new particles that have limited or zero interaction with the Standard Model, such as the new vector boson Zd (dark photon). It could have a rich and interesting phenomenology like the visible sector (the Standard Model) and could naturally address many outstanding problems in particle physics. For example, it could contain a particle candidate for dark matter. In particular, Higgs decays to Beyond-the-Standard-Model particles are well-motivated theoretically and are not tightly constrained; current measurements of Standard Model Higgs properties permit the fraction of such decays to be as high as approximately 30%. The results of this search do not show evidence for the existence of the h -> Zd Zd -> 4l process and are therefore interpreted in terms of upper limits on the branching ratio B(h -> Zd Zd) and the effective Higgs mixing parameter kappa^prime. / Graduate