Le boson de Higgs, qui est responsable de la brisure de symétrie électrofaible et de l’origine de la masse des particules, est le sujet central de la physique des particules d’aujourd’hui. J’ai travaillé sur le boson de Higgs se désintégrant en quatre leptons dans l’expérience ATLAS du LHC.Dans ma thèse, j’ai étudié le bruit de fond du canal H->ZZ^*->4l. Le signal de ce canal est très propre car il a quatre leptons dans l'état final. Il est donc important de maitriser son bruit de fond afin d'extraire le signal. J’ai travaillé à la réduction d’une des principales sources de bruit de fond: Z+ee->4leptons.En fin de thèse j’ai étudié un modèle au-delà du Modèle Standard: le modèle à deux doublets de Higgs (2HDM). Dans cette étude nous supposons que le boson de Higgs légers à la masse de la nouvelle particule détectée au LHC : 125 GeV. Aucun signal n’a été trouvé pour le boson de Higgs lourd et les limites sont données dans l’espace des paramètres de 2HDM. / Higgs boson which is responsible for the electroweak symmetry breaking and the origin of the particle mass is the core subject of particle physics today. I have worked on Higgs boson decaying into four leptons in the ATLAS experiment at LHC.In my thesis I have studied the background process to H->ZZ^*->4leptons signal. The signal of this channel is very clean because of the four leptons in the final state. Therefore, it is important to control the backgrounds to extract signal. I have worked to reduce one of the major background sources of Z+ee->4leptons process.At the end of my thesis, I discuss a model beyond the Standard Model: the two Higgs Doublets Model (2HDM). In this study I assume that the light Higgs is the new particle detected by the LHC with a mass of 125 GeV. No signal was found for the heavier Higgs and the limit is given in the parameter space of the 2HDM.

Le sujet de cette thèse est la recherche de signaux de physique au-delà du modèle standard,dans le canal de désintégration en deux photons, dans les collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS à des énergies dans le centre de masse de √s = 8 TeV en 2012 et√s = 13 TeV en 2015 et 2016.Une étude de faisabilité de la recherche d’un boson pseudo-scalaire A se désintégrant en un boson Z et un boson de Higgs d’une masse de 125 GeV est présentée. Cette étude est effectuée dans le contexte de modèles prédisant deux doublets de Higgs. L’état final recherché est constitué de deux jets hadroniques et deux photons et les données utilisées sont celles enregistrées en 2012 `a √s = 8 TeV, correspondant `a une luminosité intégrée de 20.3 fb−1. La sensibilité attendue est comparable `a celle atteinte avec une autre recherche effectuée dans la collaboration ATLAS, basée sur l’état final constitué d’une paire d’électrons ou muons et d’une paire de leptons τ . En revanche, elle est inférieure à celle des études dans lesquelles le Higgs est recherché dans sa désintégration en une paire de quarks beaux.La recherche de nouvelles résonances de haute masse se désintégrant en deux photons dans les collisions `a 13 TeV est également présentée. Les échantillons analysés correspondent à des luminosités intégrées de 3.2 fb−1 en 2015 et 12.2 fb−1 en 2016. Deux études sont développées :l’une est optimisée pour la recherche, aussi générale que possible, d’une particule de spin 0; la seconde cible une particule de spin 2 telle que le graviton prédit par le modèle de Randall-Sundrum. Une attention particulière est portée `a la compréhension et la paramétrisation de la forme de la résonance dans l’hypothèse où celle-ci aurait une largeur naturelle non négligeable.L’analyse des données enregistrées en 2015 conclut `a l’observation d’un léger excès autour d’une masse de 750 GeV, d’une largeur d’environ 45 GeV, et dont la significativité statistique locale est estimée à 3,9 et 3,8 écarts standard selon le spin de la résonance recherchée. La significativité globale est estimée à 2,1 écarts standard. L’analyse des données enregistrées en 2016 ne mène à l’observation d’aucun excès significatif. Des limites sur le produit de la section efficace de production d’une résonance par le taux de désintégration en deux photons sont établies : pour une résonance de spin nul, elles vont de 12 fb (51 fb) `a une masse de 200 GeV `a 0,2 fb (0,3 fb)`a 2400 GeV, dans l’hypothèse d’une largeur naturelle de 4 MeV (10% de la masse). Une étude de la reconnaissance des photons se convertissant en une paire électron-positon avant d’interagir avec les calorimètres, basée sur la forme de la gerbe électromagnétique détectée est également documentée. Cette étude a deux objectifs : d’une part, améliorer l’identification des photons convertis dans le contexte de taux d’empilement élevés ; d’autre part, fournir une méthode d’identification basée sur des informations indépendantes (calorimétriques) de celles utilisées par la méthode standard (trajectoires des particules chargées) afin d’évaluer les performances de cette dernière. / This thesis reports on the search for new physics in the diphoton decay channel with the protonprotoncollision data collected by ATLAS at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV in 2012and √s = 13 TeV in 2015 and 2016.A feasibility study of the search for a pseudoscalar A decaying to a Z boson and a 125 GeVHiggs boson in the context of an extended Higgs sector, namedly the two-Higgs-doublet models,is presented. The search is performed with a final state of two jets and two photons using20.3 fb−1 of data at √s = 8 TeV. The expected sensitivity is found to be competitive with theanalysis with a final state of two electrons or muons and two τ leptons, but less sensitive to theother searches with the Higgs decaying to a pair of b-quarks.Search for high mass resonances decaying to two photons at √s = 13 TeV is also presented.The analysed dataset corresponds to an integrated luminosity of 3.2 fb−1 in 2015 and 12.2 fb−1in 2016. Two searches are performed: one optimised for a generic spin-0 particle, and theother for a spin-2 particle using Randall-Sundrum graviton model as benchmark. Particularattention is paid to the understanding and the parameterisation of the line shape of a largewidthresonance. In the search using the collision data recorded in 2015, a moderate excess wasobserved at a diphoton invariant mass around 750 GeV with a best-fit width of around 45 GeV,corresponding to a local significances of 3.8-3.9 standard deviations, depending on the spin ofthe resonance being searched for. The global significances are estimated to be 2.1 standarddeviations. The search is updated with 2016 data and no significant excess is observed. Limitson the production cross-section times branching ratio to two photons for the two resonancetypes are reported: for a spin-0 resonance, the fiducial cross-section ranges from 12 fb (51 fb) at200 GeV to 0.2 fb (0.3 fb) at 2400 GeV, with the narrow (10% of the mass) width hypothesis.A part of this document is also devoted to the study of photons that convert into electronpositronpairs before entering the calorimeter using their electromagnetic shower information.The conversion study has two objectives: improving the identification of photon conversion athigh pile-up rate and providing an orthogonal classification method to assess the performanceof the standard track-based algorithm.

The Higgs sector is the collection of fields and particles responsible for the spontaneous symmetry breaking of the electroweak symmetry. It is the keystone of the Standard Model of particle physics. While the Standard Model Higgs sector is in agreement with current experiments alternative models often arise to explain experimental anomalies, or to answer puzzles about the Higgs model itself. In this dissertation I explore two such alternative models of the Higgs sector. The first is a model of a composite Higgs boson that is designed to be "minimally fine-tuned." I demonstrate how it generates a light Higgs boson with one fine-tuned parameter. The most accessible expected phenomenological signatures of such a model are heavy resonances decaying into weak vector bosons. I compare the predicted behavior of these resonances to recent experiments at the Large Hadron Collider. The second is alternative model attempts to use multiple Higgs to explain a possible 30 GeV resonant excess in dimuon production arising from Z boson decays. I show that the simplest such model cannot explain the excess, and then argue that all such multiple-doublet models also fail.

Cette thèse est composée de deux analyses principales: la recherche du boson the Higgs (H) produit en association avec an boson vecteur (VH) dans le canal de désintégration en deux quark-b, dans le Modèle Standard (SM), avec les données du LHC Run-1 (jusqu’à Juillet 2016); la recherche d’un boson d’haute masse A, CP-odd et pseudo-scalar, dans la désintégration dans une paire ZH, avec la désintégration du H en deux quark-b, dans les données du LHC Run-2 (jusqu’à Décembre 2015). Le document est constitué de quatre Chapitres générales et trois Chapitres d’analyse: on donne une description théorétique de la physique du particule, une présentation du LHC et du détecteur ATLAS, un exposé des méthodes statistiques utilisés et des techniques de reconstruction des évènements dans ATLAS. Les Chapitres d’analyse présentent: la recherche des processus VH SM avec les données du Run-1 et du Run-2, dans le canal de désintégration en deux quark-b. En plus on présente la recherche du boson d’haute masse A, avec les données du LHC Run-2. On n’observe pas une mis en évidence du boson de Higgs SM dans ce canal de désintégration, avec une sensibilité de 1.4(0.42) déviations standard pour l’analyse des données du Run-1(Run-2). L’analyse des données du Run-1 obtient la plus hautes sensibilité attendue (2.6 déviations standard) pour ce type de recherche dans un collisionneur hadroniques. L’analyse des données du Run-2 est la première recherche de ce processus a une énergie de 13 TeV. Aucune évidence d’un boson d’haute-mass A est trouvée dans l’analyse des données du Run-2: on donné une interprétation des limites su sa production et désintégration dans le contexte des Two Higgs Double Models. / This thesis is composed of two main separate analyses: the search for the Standard Model (SM) Higgs boson in the associated production mode (VH), decaying to b-quark pairs, with data collected during the LHC Run-1 and Run-2 (until July 2016); the search for a high-mass CP-odd pseudoscalar A boson decaying to ZH pairs, with the H decaying to bottom-quark pairs, with data collected during the LHC Run-2 (until December 2015). The document is divided into four general Chapters, and three analysis Chapters: starting from an overview of the theoretical aspects of particle physics, to a description of the LHC and the ATLAS detector, an outline of the statistical methods used for data analysis and a summary of event reconstruction techniques. The analysis Chapters cover separately: the analysis of the LHC Run-1 data for the search of the VH production of the Higgs boson in the bottom-quark pair decay channel, and the same analysis performed with the LHC Run-2 data. Furthermore the search for a high-mass CP-odd pseudoscalar A boson, performed with LHC Run-2 data, is described. No evidence for a SM Higgs boson decaying to bottom-quark pairs is observed, with a significance of 1.4 (0.42) standard deviations from the analysis of LHC Run-1 (Run-2) data. The Run-1 data analysis provides the highest expected sensitivity (2.6 standard deviations) among Higgs searches in this channel at hadron colliders, while the analysis of Run-2 data is the first search performed at a center of mass energy of 13 TeV. No evidence for a massive A boson is found in the analysis of the Run-2 data, the limits set on its production and decay are interpreted in the framework of Two Higgs Doublet Models.

This thesis describes a measurement of the Standard Model Higgs boson coupling to fermions in decays to two τ-leptons, a search for charged Higgs bosons in decays to a τ-lepton and a neutrino, as well as the reconstruction, identification and triggering of hadronically decaying τ-leptons. The data considered are collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The reconstruction and identification of hadronically decaying τ-leptons in the ATLAS experiment during Run 2 of the Large Hadron Collider are described, and the performance of the τ trigger is measured in events with top–antitop-quark pairs using data from 13 TeV proton–proton collisions, corresponding to an integrated luminosity of 3.2 fb-1, collected in 2015, and 11.5 fb-1, collected in 2016. Hadronically decaying τ-leptons are of importance to many physical processes involving Higgs bosons. The coupling of the Standard Model Higgs boson to fermions is measured in decays to two τ-leptons using 7 TeV data corresponding to an integrated luminosity of 4.5 fb-1, collected in 2011, and 8 TeV data corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1, collected in 2012. The signal strength is measured to be μ = 1.4, corresponding to an excess over the background-only model of 4.5σ. Charged Higgs bosons are searched for in decays to a τ-lepton and a neutrino, where the τ-lepton decays hadronically. 13 TeV data corresponding to an integrated luminosity of 14.7 fb-1, collected in 2015 and 2016, are used. No excess over the Standard Model background is observed, and the 95 % confidence-level exclusion limits on σ(pp → [b]tH+) × (H+ → τν) are set to 2.0 pb–8 fb in the range 200–2000 GeV.

This thesis presents searches for a charged Higgs boson (H±) in proton-proton collisions with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, using data collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. Multiple search channels are used with the common characteristic of at least one charged lepton (electron or muon) that effectively reduces the multi-jet background and is used for efficient triggering. Charged Higgs bosons decaying to a tau lepton and a neutrino are searched for using final states with two charged leptons, or one charged lepton and a hadronically decaying tau. A significant background originates from quark- or gluon-initiated jets that may be misidentified as hadronic tau decays. Methods to estimate this background are presented, including a largely data-driven matrix method. Signal processes with a charged Higgs boson mass below or above that of the top quark are considered. With the dataset collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1, upper limits at 95% confidence level are placed on the branching fraction B(t→bH±)×B(H±→τν) in the range 1.1–0.3% for charged Higgs boson masses between 80 GeV and 160 GeV, and on the top-quark associated H± production cross section in the range 0.93 to 0.03 pb for charged Higgs boson masses between 180 GeV and 1 TeV.

Le boson de Higgs, qui est responsable de la brisure de symétrie électrofaible et de l'origine de la masse des particules, est le sujet central de la physique des particules d'aujourd'hui. J'ai travaillé sur le boson de Higgs se désintégrant en quatre leptons dans l'expérience ATLAS du LHC.Dans ma thèse, j'ai étudié le bruit de fond du canal H->ZZ^*->4l. Le signal de ce canal est très propre car il a quatre leptons dans l'état final. Il est donc important de maitriser son bruit de fond afin d'extraire le signal. J'ai travaillé à la réduction d'une des principales sources de bruit de fond: Z+ee->4leptons.En fin de thèse j'ai étudié un modèle au-delà du Modèle Standard: le modèle à deux doublets de Higgs (2HDM). Dans cette étude nous supposons que le boson de Higgs légers à la masse de la nouvelle particule détectée au LHC : 125 GeV. Aucun signal n'a été trouvé pour le boson de Higgs lourd et les limites sont données dans l'espace des paramètres de 2HDM.

Diverse astrophysikalische Beobachtungen weisen auf bislang unerklärte Materie hin, die hauptsächlich gravitativ interagiert. Wenn diese Materie, bezeichnet als Dunkle Materie, ein Elementarteilchen ist, könnte sie in Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider produziert werden. Aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit normaler Materie könnte sie jedoch nicht direkt mit den Vielzweckdetektoren am Large Hadron Collider beobachtet werden. Ihre Produktion würde sich stattdessen in Ereignissen zeigen, in denen ein Rückstoß von Detektor-sichtbaren Objekten gegen die Detektor-unsichtbare Dunkle Materie besteht, was fehlende transversale Energie verursacht. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Endzuständen, in denen diese sichtbaren Objekte sogenannte Jets sind. In dieser Dissertation wird eine Messung des Endzustands aus großer fehlender transversaler Energie und mindestens einem Jet in 139/fb an Proton–Proton-Kollisionen bei 13 TeV, aufgezeichnet mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider, durchgeführt. Zwischen den gemessenen Daten und der Standard-Modell-Vorhersage wird in einer statistischen Optimierung gute Übereinstimmung gefunden. Die Messung wird von Detektor-Effekten bereinigt, um spätere Reinterpretation zu vereinfachen. Messungen, die auf diese Art aufbereitet wurden, können beispielsweise von der Contur-Software benutzt werden, um Parametergrenzen für neue Theorien festzustellen. Sowohl die Ergebnisse der Messung, als auch die Contur-Software, welche auf existierende Messungen am Large Hadron Collider zurückgreift, werden verwendet, um Ausschlussgrenzen für ein Modell, das Dunkle Materie erklären kann, festzustellen. Betrachtet wird das Modell von zwei Higgs-Dubletts und einem pseudoskalaren Botenteilchen zu Dunkler Materie. / Various astrophysical observations point towards an as-of-yet unexplained, mainly gravitationally interacting type of matter. If this matter, called Dark Matter, is an elementary particle, it could be produced in particle collisions at the Large Hadron Collider. Given its weak interaction with ordinary matter, however, it would not be directly observable with the general-purpose detectors at the Large Hadron Collider. Its production would therefore manifest as events in which detector-visible objects recoil against the detector-invisible Dark Matter, giving rise to missing transverse energy. This thesis focuses on final states in which these visible objects are jets. A measurement of the final state of large missing transverse energy and at least one jet in 139/fb of proton–proton collisions at 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is performed in this thesis. Good agreement between measured data and Standard-Model prediction is found in a statistical fit. The measurement is corrected for detector effects to facilitate later reinterpretation. Measurements prepared in such a way can, for example, be exploited by the Contur toolkit to set constraints on new theories. Both, the results of the measurement and the Contur toolkit making use of existing measurements at the Large Hadron Collider, are employed to set exclusion limits on a model able to explain Dark Matter, the two-Higgs-doublet model with a pseudoscalar mediator to Dark Matter.

Une recherche indépendante de saveur du boson de Higgs neutre dans les canaux à quatre jets, e+e- -> h(hadrons)Z(qqbar), avec énergie manquante, e+e- -> h(hadrons)Z(nu nubar) et leptonique, e+e- -> h(hadrons)Z(e+e-, µ+µ-) est effectuée.<br> Les données analysées ont été enregistrées par le détecteur ALEPH auprès du LEP durant les années 1998, 1999 et 2000, avec des énergies dans le centre de masse situées entre 189 et 210 GeV.<br><br> Les sélections dans les canaux à quatre jets et avec énergie manquante sont basées sur la méthode multivariable des réseaux de neurones, qui combine de façon non linéaire les différentes informations qui décrivent le signal. Afin d'obtenir une sélection indépendante de la saveur des produits de désintégration du boson de Higgs, ces informations sont des variables purement topologiques et cinématiques.<br> La sélection dans le canal leptonique est réalisée par une succession de coupures qui tirent profit de la très bonne identification des électrons et des muons.<br><br> En appliquant ces sélections aux données enregistrées par ALEPH, aucun excès d'événements révélant la présence d'un signal n'est observé. Ceci permet de restreindre les valeurs permises de la masse du boson de Higgs neutre, sa section efficace et son rapport d'embranchement en hadrons.<br> Ce résultat est exprimé par une zone d'exclusion à 95% de niveau de confiance dans un espace à deux dimensions, à partir duquel il est possible de vérifier si un modèle particulier est exclu ou non par l'expérience.<br><br> Ce résultat général est interprété dans le cadre du Modèle Standard et du MSSM. Dans le cadre du Modèle Standard, une limite inférieure de 109.5 GeV/c2 sur la masse du boson de Higgs à 95% de niveau de confiance est obtenue.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’expérience ATLAS, l’une des quatre grandes expériences auprès du collisionneur LHC. Il fut principalement dédié à la recherche de nouveaux bosons de jauge lourds chargés, appelé W' et prédits par de nombreuses extensions du Modèle Standard de la physique des particules. Ce manuscrit présente une recherche du boson W' se désintégrant en un quark top et un quark beau à travers une approche de couplage effectif, dans des états finals de désintégrations leptoniques du quark top. Cette recherche fut réalisée avec 20.3 fb−1 de données de collision proton-proton, produits par le LHC à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV et collectées par le détecteur ATLAS en 2012. Plusieurs scénarios d’études sont envisagés où le boson W' se couple soit à des fermions de chiralité gauche (W'L) soit de chiralité droite (W'R). Une technique d’analyse multivariée utilisant des arbres de décision boostés (BDT) est utilisée afin de mettre évidence un excès de processus de signal dans les données enregistrées. Aucun excès n’est observé au-delà des incertitudes expérimentales pour la statistique de données analysées jusque-là. Une analyse statistique est réalisée afin d’extraire des limites d’exclusion sur la masse et la section efficace de production de la particule. Des masses inférieures à 1.92, 1.80 et 1.70 TeV furent exclues respectivement pour des bosons W'R et W'L, en tenant compte ou non d’effets d’interférence. Les limites d’exclusion sur les sections efficaces de production sont réinterprétées en matière de limite d’exclusion sur le couplage effectif g'/g de la particule. Les limites d’exclusion les plus basses observées sur le rapport g'/g, respectivement de 0.20 et 0.16 pour les recherches de bosons W'R et W'L, furent obtenues pour une masse de boson W'R/L de 0.75 TeV. Une recherche de bosons de Higgs chargés se désintégrant en un quark top et un quark beau est également présentée dans ce manuscrit. Cette dernière repose sur une approche de couplage effectif décrivant un modèle à deux doublets de Higgs de type II. Cette analyse réutilise l’infrastructure développée pour la recherche du boson W' est complétée d’études phénoménologiques liées au calcul de la section efficace de ce processus ainsi que sur la caractérisation des effets de largeur de la résonance recherchée. Les premiers résultats obtenus sur la limite d’exclusion sur la section efficace de production pp → H+→ tb montrent toutefois que cette analyse ne semble pas être en mesure d’exclure un signal de boson H+ pour l’ensemble des scénarios théoriques considérés, compte tenu des faibles sections efficaces de production prédites. En parallèle de ces activités, des développements ont été réalisés pour la simulation rapide du système de calorimétrie FastCaloSim du détecteur ATLAS afin de pallier ses limitations. En particulier, un nouveau modèle de paramétrisation et de simulation rapide de la réponse en énergie du système de calorimétrie est présenté dans ce manuscrit. Ce modèle, toujours en développement, montre des résultats très encourageant pour la simulation d’événements à pion unique et permet de réduire considérablement l’empreinte mémoire de la paramétrisation en comparaison avec des versions précédentes de FastCaloSim, tout en permettant aux futures reparamétrisations d’être plus rapides et automatisées. / The research work carried out during this Ph.D thesis has been performed in the context of the ATLAS experiment, one of the four major LHC experiments, and was primarily dedicated to the search for a new chaged heavy gauge boson, called W' and predicted by many extensions of the Standard Model of particle physics. This manuscript presents a search for W' boson decaying into a top and a bottom quark through an effective coupling approach, in the lepton plus jets final states. This search is performed with 20.3 fb−1 of proton-proton collision data, produced by the LHC with a center-of-mass energy of 8 TeV and collected by the ATLAS detector in 2012. Several scenarios are considered where the W boson can couple to left-handed (W'L) or right-handed (W'R) fermions. A multivariate techniques based on boosted decision trees is used to search for an excess of W signal process in the recorded data. No excess is observed beyond the experimental uncertainties for the data analysed so far. A statistical analysis is performed in order to extract exclusion limits on the mass and the production cross section of the particle. Masses below 1.92, 1.80 and 1.70 TeV are excluded, respectively for W'R and W'L bosons taking into account or not interference effects. These exclusion limits on the production cross section are also reinterpreted in terms of exclusion limits on the effective coupling g'/g of the particle. The lowest exclusion limits observed on the ratio g'/g are equal to 0.20 and 0.16, respectively, for W'R and W'L searches, and are obtained for a W'R/L mass of 0.75 TeV. A search for charged Higgs boson decaying into a top and a bottom quark is presented in this manuscript. This search is based on an effective coupling approach describing a type II Two Doublet Higgs Model. It reuses the analysis infrastructure developed for the W' search and is completed by phenomenological studies related to the production cross section calculation for the process and the characterisation of the resonance width effects affecting the analysis. Preliminary results on the excluded cross section limits pp → H+→ tb show that the analysis is not able to exclude a signal a H+ boson for all theoretical scenarios considered, due to low production cross sections predicted. In parallel of these activities, several developments have been performed on the fast simulation of the ATLAS calorimeter system in order to overcome its limitations. In particular, a new parametrisation and fast simulation model for the energy response of the calorimeter is presented in this manuscript. This model, still under development, shows encouraging results for simulated single pion event and allows to reduce considerably the memory footprint of the parametrisation compared to previous versions of FastCaloSim, while enabling future reparametrisations to be faster and automated.