Le modèle standard est le modèle théorique de référence pour expliquer les phénomènes subatomiques. Jamais directement mis en défaut et couronné de succès depuis des dizaines d'années, il souffre néanmoins d'imperfections théoriques et peine à expliquer certains phénomènes physiques observés à hautes énergies. Pour ces raisons, plusieurs théories proposent des extensions de ce modèle. La supersymétrie, appréciée pour son élégance théorique, est l'une d'entre elles. Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la recherche d'un signal supersymétrique, dont les caractéristiques principales sont la présence de plusieurs jets de quark b et une forte énergie transverse manquante. L'analyse de ce signal est effectuée sur les données du Run II collectées par le détecteur D0 d'avril 2003 à mars 2006 (~1 fb¬-1).<br />La signature d'une telle topologie implique une bonne résolution sur l'énergie des jets, ainsi qu'une mesure précise de l'énergie transverse manquante. Par conséquent, il faut au préalable bien comprendre les informations recueillies par le calorimètre, une des parties cruciale du détecteur pour cette analyse. La présence de plusieurs quarks de saveurs lourdes dans l'état final nécessite un étiquetage maîtrisé des jets de quark b. Cet étiquetage est une variable fortement discriminante entre le signal et le bruit de fond du modèle standard.<br />Les collisionneurs hadroniques comme le TeVatron ont une section efficace de QCD inclusive des ordres de grandeurs supérieurs à celle du signal recherché dans cette analyse. Il faut donc être en mesure de trouver des coupures rapides et efficaces dès le système de déclenchement du détecteur. L'essentiel de mon travail de préparation à l'analyse porte sur la mise au point et l'étude de conditions de déclenchement basées sur le calorimètre et permettant de sélectionner efficacement les signaux caractérisés par la présence de jets et d'énergie transverse manquante.

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

Le détecteur ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules situéeà un point de collision du LHC, au CERN. Le détecteur est complet et opérationneldepuis juin 2008. La mise en oeuvre du système calorimétrique a alors été possible,grâce notamment à l’étude de la variable "énergie transverse manquante". Cettevariable, indispensable aux mesures de précision du Modèle Standard et à larecherche de Nouvelle Physique, a ainsi pu être testée pour la première fois in situ. Ledétecteur était prêt et a montré de bonnes performances lors des premières collisionsdu LHC à la fin de l’année 2009, en particulier avec l’étude de données dites de biaisminimum. Avec les données de collisions, il a également été possible d’étudier desperformances des électrons, notamment leurs variables d’identification, et la compréhension de la matière avant le calorimètre.Les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse en 2010 ontpermis d’étudier les propriétés des bosons W produits lors de ces collisions. Aprèsseulement quelques mois de prise de données, l’on a pu observer et mesurer la section efficace de production de cette particule. L’enjeu principal de cette mesure aété l’estimation des erreurs systématiques dues à l’électron et à l’énergie transversemanquante. Avec toutes les données enregistrées en 2010, l’asymétrie de charge duboson W a également pu être mesurée. Cette mesure est importante pour ladétermination des fonctions de distribution de partons dans le proton, donnéesindispensables à la bonne compréhension des collisions hadroniques au LHC. / The ATLAS detector is a multi-purpose experiment located at one of the collisionpoints of the LHC, at CERN. The detector is complete and in the acquisition since June2008. I’ve been working since then on the commissioning of the calorimeter system, inparticular thanks to the study of the “missing transverse energy” variable. Thisvariable is essential for precision measurements of the Standard Model, and for thesearch of New Physics ; it was tested in situ for the first time. The detector are readyfor the first LHC collisions at the end of 2009, and showed good performances, inparticular in the study of minimum bias events. I also participated to the study of theelectron performances, more particularly working on the identification variables andon the material before the calorimeter.The first collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV allowed me to study theproperties of W bosons. I participated to the observation and to the measurement ofthe production cross-section of this particle, taking part in particular in theassessment of the uncertainties due to the missing transverse energy. With all thedata recorded in 2010, I took part in the measurement of the W boson chargeasymmetry. This measurement is important for the determination of the partondistribution functions of the proton, which are of utmost importance for theunderstanding of hadronic collisions at the LHC.

Le détecteur ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules située à un point de collision du LHC, au CERN. Le détecteur est complet et opérationnel depuis juin 2008. La mise en oeuvre du système calorimétrique a alors été possible, grâce notamment à l'étude de la variable "énergie transverse manquante". Cette variable, indispensable aux mesures de précision du Modèle Standard et à la recherche de Nouvelle Physique, a ainsi pu être testée pour la première fois in situ. Le détecteur était prêt et a montré de bonnes performances lors des premières collisions du LHC à la fin de l'année 2009, en particulier avec l'étude de données dites de biais minimum. Avec les données de collisions, il a également été possible d'étudier des performances des électrons, notamment leurs variables d'identification, et la compréhension de la matière avant le calorimètre. Les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse en 2010 ont permis d'étudier les propriétés des bosons W produits lors de ces collisions. Après seulement quelques mois de prise de données, l'on a pu observer et mesurer la section efficace de production de cette particule. L'enjeu principal de cette mesure a été l'estimation des erreurs systématiques dues à l'électron et à l'énergie transverse manquante. Avec toutes les données enregistrées en 2010, l'asymétrie de charge du boson W a également pu être mesurée. Cette mesure est importante pour la détermination des fonctions de distribution de partons dans le proton, données indispensables à la bonne compréhension des collisions hadroniques au LHC.

Cette thèse présente la recherche de nouvelle physique avec un état final contenant un seul photon et de l'énergie transverse manquante. On recherche la matière sombre (ou noire) et la signature de particules supersymétriques. L'analyse des données collectées par le détecteur ATLAS au LHC, issues de collisions proton-proton dont l'énergie dans le centre de masse est de 8 TeV, est faite avec une luminosité intégrée de 20.3fb−1. L'accord entre les données mesurées et les prédictions du modèle standard permet d'établir une limite sur la section effi- cace de production mesurable. Cette limite est observée à la valeur de 3.64 fb à 95% de niveau de confiance.Dans cette thèse, la limite expérimentale obtenue est également interprétée comme une limite dans l'espace des paramètres de deux nouveaux modèles.Le premier est basé sur une théorie des champs effective qui s'inspire des résultats du satellite Fermi-LAT. Dans ce modèle, les particules de matière sombre se couplent aux pho- tons par une interaction de contact. Les limites sur l'échelle de masse effective sont établies et dépendent d'un postulat sur les constantes de couplage. Elles contraignent l'espace des paramètres qui est compatible avec les résultats de Fermi-LAT.Le second est un modèle supersymétrique simplifié décrivant la production de paires de squarks se désintégrant en un quark et un neutralino. Dans ce cas, le photon est émis soit dans l'état initial soit dans l'état final. De plus, le spectre en masse est compressé, i.e. que la différence de masse entre les squarks et les neutralinos est supposée petite. Les limites sont établies sur la section efficace de production. Ces limites montrent une exclusion sur la masse des squarks jusqu'à 250 GeV dans la région la plus compressée de l'espace des paramètres. Le photon pouvant être émis par le squark intermédiaire, cet état final pourrait permettre de déterminer la charge du squark.Enfin, une étude préliminaire prospective à l'énergie de collision de 13 TeV a égale- ment été menée. Elle montre qu'avec 5fb−1 de données seulement, les limites peuvent être améliorées de 10%. / This thesis presents the search for new physics in the final state containing a single photon and missing transverse momentum. The analysis is performed on 20.3fb−1 of proton-proton collisions data at a center-of-mass energy of 8 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Given the good agreement of the data with the Standard Model pre- diction of such events, an upper limit to the visible cross section produced by new physics is derived. The observed limit at 95% confidence level is 3.64 fb.In this thesis, the results are also interpreted as limits in the parameter space of two new physics models. The first model is an effective field theory, inspired by Fermi-LAT results, in which dark matter particles couple to photons via a contact interaction vertex. Limits are set on the effective mass scale and depend on the postulated coupling constants. The limits set in this dark matter model provide an effective constraint in the parameter space of the theory compatible with the Fermi-LAT results. The second one is a simplified supersymmetric model describing squark pair production with their subsequent decay into a quark and a neutralino. The photon is emitted as initial or final state radiation and the spectrum is compressed, i.e. the mass difference between the squark and the neutralino is assumed to be small. Limits are set on the production cross-section; squark masses are excluded up to 250 GeV in the very compressed region. As the photon can be irradiated from the intermediate squark, this final state would eventually provide the possibility to probe the charge of the squark.A preliminary study has also been carried out to show the search sensitivity with 13 TeV data, which indicate that the limits presented in this thesis can already be improved by 10% with 5fb−1.

Les mesures de bosons W produits en collisions pPb à une énergie dans le centre de masse de 5,02 TeV sont présentées dans le canal de désintégration muonique. Les données collectées par le détecteur CMS représentent une luminosité intégrée de 34,6 nb-1. Les sections efficaces de production ainsi que plusieurs asymétries sont mesurées en fonction de la pseudo-rapidité du muon, pour des muons ayant tous une impulsion transverse supérieure à 25 GeV/c. Ces observables sont comparées à deux paramétrisations de distributions partoniques (PDF). La première (CT10) ne considère pas de modifications nucléaires sur les PDF et les PDF de noyaux sont donc une superposition de PDF de protons libres. La seconde (EPS09) tient compte de modifications nucléaires. Les mesures obtenues confirment légèrement certaines modifications et une observable en particulier, dévie des deux paramétrisations. Les données pourraient indiquer une dépendance des PDF nucléaires en fonction de la saveur du quark de valence. / Measurements of W bosons produced in pPb collisions at nucleon-nucleon centre-of-mass energy $\sqrt{s\rm{_{NN}}}=5.02$ TeV are presented in the muon plus neutrino decay channel. The data sample of 34.6 nb-1 integrated luminosity was collected by the CMS detector. The W boson differential cross sections, lepton-charge asymmetry and forward/backward asymmetry are computed as a function of the lepton pseudorapidity, for muons of transverse momentum higher than 25 GeV/$c$. These observables are compared to two sets of parton distributions (PDF). One of two assumes nuclear modifications (EPS09) while the other is simply a superposition of free proton PDF CT10). Some of the observables deviate from expectations based on unmodified and currently available nuclear PDF. One in particular slightly deviates from both predictions which may indicates dependence of nuclear PDF as a function of the valence quark flavor.