Over the last few decades, the Standard Model (SM) of particle physics has been used as a means of understanding the world around us. However, there is an increasing amount of data that suggests the SM of particle physics only describes nature up to energies of the electroweak scale. Extensions to the SM have been developed as a means of explaining experimental observation. If these extensions are indeed the correct mathematical descriptions of nature, the Large Hadron Collider (LHC), located at the European Center for Nuclear Research (CERN) near Geneva, Switzerland, is expected to produce new and exciting physics signatures that can shed light on the evolution of our universe since the early hypothesized Big Bang. Of particular interest are models that may lead to events with highly energetic tau lepton pairs. In this dissertation, focus is placed on a possible search for new heavy gauge bosons decaying to highly energetic tau pairs using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 36 pb^-1 of proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV collected with the CMS detector at the CERN LHC. The number of observed events in the data is in good agreement with the predictions for SM background processes. In the context of the Sequential SM, a Z0 with mass less than 468 GeV/c^2 is excluded at 95 percent credibility level, exceeding the sensitivity by the Tevatron experiments at the Fermi National Accelerator Laboratory.

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.

En ce début d'année 2010, le collisionneur de protons LHC a commencé son fonctionnement avec une énergie dans le centre de masse de s = 7 TeV, faisant du CERN le laboratoire abritant le plus puissant accélérateur de particules au monde. La nouvelle fenêtre d'observation offerte par cette machine offre aux physiciens la possibilité d'observer des phénomènes physiques encore inconnus et détendre nos connaissances sur le fonctionnement de l'univers. Parmi les expériences placées sur l'anneau du LHC se trouve l'expérience généraliste ATLAS, dont les objectifs de physique comprennent la complétion du Modèle Standard de la physique des parti- cules par la découverte du boson de Higgs, la mesure des propriétés du quark top, mais également la mise à l'épreuve de théories comme la sup er-symétrie, les modèles de grande unification et de dimensions supplémentaires. Le chapitre 1 illustrera l'état des connaissances théoriques en physique subatomique avant le nouvel éclairage que le LHC a la vocation de lui app orter, tandis que le chapitre 2 décrira l'exp érience ATLAS sur lequel repose le travail effectué pendant cette thèse. L'exploitation des données d'un collisionneur de hadrons n'est cependant pas aisée, et la réduction du bruit QCD est un des enjeux majeurs des expériences placées auprès du LHC. Dans cet environnement hadronique, la maîtrise des leptons est cruciale. Leur signature relativement simple et leur présence dans des canaux de découvertes importants sont des atouts pour la recherche de nouvelle physique. L'électron, sa reconstruction, son identication, sa mise en oeuvre et celle du calorimètre électromagnétique qui est un sous-détecteur crucial pour sa mesure a été le conducteur de ma thèse qui se découpe comme suit. La reconstruction de l'électron commence dans le calorimètre électromagnétique

La première mesure du spectre en phi*_eta du boson Z à 7 TeV a été réalisée dans cette thèse. Cette variable permet de sonder la dynamique de production des Z de façon fine. L'échantillon complet des données enregistrées par ATLAS en 2011 a été utilisé ce qui correspond à 4.7/fb de luminosité intégrée. Les résultats de cette mesure sont publiés dans la Ref. [18] fondé sur la note interne Ref. [69]. La section efficace différentielle de Z->ee en fonction phi*_eta a été mesurée et comparée aux calculs perturbatifs à ordre fixé, avec/sans resommation pour la région des petits phi*_eta. Le code RESBOS fournit la meilleure description des données, cependant il est incapable de reproduire, à mieux de 4%, la forme détaillée de la section efficace mesurée. La section efficace différentielle a également été comparée aux prédictions de différents générateurs Monte Carlo interfacés avec un algorithme de parton shower. Les meilleures descriptions du spectre en phi*_eta mesuré sont données par les générateurs SHERPA et POWHEG+PYTHIA8. La mesure précise de la section efficace différentielle en phi*_eta fournit des informations précieuses pour l'ajustement des codes Monte Carlo. La précision expérimentale typique de cette mesure (~0.5%) est dix fois meilleure que la précision des calculs théoriques et elle est donc aussi précieuse pour contraindre la théorie. La mesure du spectre en ptZ a également été faite pour quantifier l'incertitude systématique de cette mesure en utilisant la grande statistique de l'échantillon de données. Cela permet de comparer deux mesures qui traitent de l'impulsion transverse du boson Z. Dans la plupart du domaine en phi*_eta l'incertitude systématique de la mesure de ptZ est deux fois plus grande que celle de la mesure de phi*_eta. Cette comparaison confirme l'intérêt de la variable phi*_eta. Les résultats présentés dans cette thèse ont beaucoup d'implications pour les études futures. Ajustant les générateurs Monte Carlo en utilisant les résultats de la mesure précise du spectre en phi*_eta minimisera l'incertitude sur leurs paramètres. Une mesure de la section efficace doublement différentielle en ptZ et phi*_eta est intéressante pour mieux comprendre la corrélation entre ces deux variables. La mesure précise du spectre en ptZ utilisant la variable phi*_eta peut être appliquée au spectre en ptW et on sait que des mesures plus fines du ptW sont importante pour une détermination précise de la masse du boson W. De plus, une compréhension précise du spectre en ptZ est importante pour comprendre les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs.

La première mesure du spectre en phi*_eta du boson Z à 7 TeV a été réalisée dans cette thèse. Cette variable permet de sonder la dynamique de production des Z de façon fine. L’échantillon complet des données enregistrées par ATLAS en 2011 a été utilisé ce qui correspond à 4.7/fb de luminosité intégrée. Les résultats de cette mesure sont publiés dans la Ref. [18] fondé sur la note interne Ref. [69]. La section efficace différentielle de Z->ee en fonction phi*_eta a été mesurée et comparée aux calculs perturbatifs à ordre fixé, avec/sans resommation pour la région des petits phi*_eta. Le code RESBOS fournit la meilleure description des données, cependant il est incapable de reproduire, à mieux de 4%, la forme détaillée de la section efficace mesurée. La section efficace différentielle a également été comparée aux prédictions de différents générateurs Monte Carlo interfacés avec un algorithme de parton shower. Les meilleures descriptions du spectre en phi*_eta mesuré sont données par les générateurs SHERPA et POWHEG+PYTHIA8. La mesure précise de la section efficace différentielle en phi*_eta fournit des informations précieuses pour l’ajustement des codes Monte Carlo. La précision expérimentale typique de cette mesure (~0.5%) est dix fois meilleure que la précision des calculs théoriques et elle est donc aussi précieuse pour contraindre la théorie. La mesure du spectre en ptZ a également été faite pour quantifier l’incertitude systématique de cette mesure en utilisant la grande statistique de l’échantillon de données. Cela permet de comparer deux mesures qui traitent de l’impulsion transverse du boson Z. Dans la plupart du domaine en phi*_eta l’incertitude systématique de la mesure de ptZ est deux fois plus grande que celle de la mesure de phi*_eta. Cette comparaison confirme l’intérêt de la variable phi*_eta. Les résultats présentés dans cette thèse ont beaucoup d’implications pour les études futures. Ajustant les générateurs Monte Carlo en utilisant les résultats de la mesure précise du spectre en phi*_eta minimisera l’incertitude sur leurs paramètres. Une mesure de la section efficace doublement différentielle en ptZ et phi*_eta est intéressante pour mieux comprendre la corrélation entre ces deux variables. La mesure précise du spectre en ptZ utilisant la variable phi*_eta peut être appliquée au spectre en ptW et on sait que des mesures plus fines du ptW sont importante pour une détermination précise de la masse du boson W. De plus, une compréhension précise du spectre en ptZ est importante pour comprendre les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs. / The first measurement of the phi*_eta spectrum of Z bosons at 7 TeV of pp collisions has been studied in this thesis, which is an alternative way to probe the transverse momentum of Z bosons. The full data sample recorded by the ATLAS detector during 2011 run of the LHC was used, which corresponds with 4.7/fb integrated luminosity. The results of this measurement were reported in Ref. [18] supported by the internal note in Ref. [69]. The differential cross section of Z->ee as a function of phi*_eta has been measured and compared to fixed order perturbative QCD calculations with/without a resummation for the low phi*_eta region. Calculations using RESBOS provide the best descriptions of the data. However, they are unable to reproduce the detailed shape of the measured cross section to better than 4%. The differential cross section was also compared to predictions from different Monte Carlo generators interfaced to a parton shower algorithm. The best descriptions of the measured phi*_eta spectrum are provided by SHERPA and POWHEG+PYTHIA8 Monte Carlo event generators. The precise measurement of the differential cross section as a function of phi*_eta provides valuable information for the tuning of MC generators. The typical experimental precision of this measurement (~0.5%) is ten times better than the typical theoretical precision and therefore is valuable to constrain the theoretical predictions further. The ptZ measurement has been also studied to quantify the systematic uncertainty of this measurement using the high statistic data sample. This allows to compare two measurements which both address the physics issues of the Z transverse momentum. In most of the phi*_eta range, the systematic uncertainty of the ptZ measurement is two times larger than the one of the phi*_eta measurement. This comparison confirms the interest for the phi*_eta variable. The measurements presented in this thesis has many implications for future studies. Tuning MC generators using the result of the precise measurement of the phi*_eta spectrum will minimize the uncertainty on the tuned parameters. A double differential cross section measurement as a function of ptZ and phi*_eta is interesting to understand the correlation between ptZ and phi*_eta variables. The precise measurement of the ptZ spectrum using the new variable phi*_eta can be applied to ptZ. More precise measurement of ptZ are important to obtain precise measurements of the W mass. In addition, a precise understanding of the ptZ spectrum is important to understand kinematic properties of Higgs boson production.