La découverte récente du boson de Higgs complète le Modèle Standard de la physique des particules, mais aucun signal de nouvelle physique n’a été observé en dépit des nombreuses recherches effectuées par les expériences du Large Hadron Collider (LHC). Cependant le problème de hiérarchie et la présence de matière noire sont des motivations importantes pour considérer des théories qui prédisent de nouveaux états à l’échelle électro-faible, de fait, de nombreux travaux ont été initiés sur l’interprétation des résultats négatifs et leurs implications pour de tels scénarios. Les modèles simplifiés sont devenus une norme pour l’interprétation des recherches de supersymétrie (SUSY) au LHC, et plus récemment pour les recherches de matière noire. Le succès de cette approche vient d’un petit nombre de paramètres liés aux observables au LHC de façon claire, ce qui permet une optimisation efficace des stratégies de recherche. De plus, les modèles complets peuvent être projetés sur de tels modèles simplifiés ce qui permet une compréhension intuitive des contraintes sur l’espace des paramètres et un test rapide des contraintes du LHC. Puisque les relations entre les paramètres de modèles généraux et les modèles simplifiés ne sont pas en général directes, des outils numériques sophistiqués sont nécessaires pour faciliter cette projection.Cette thèse explore de nombreux aspects de l’interpretation des recherches du LHC par les modèles simplifiés, et de la façon dont ils sont utilisés pour faire le lien entre les observations expérimentales et les descriptions théoriques. En particulier le code SModelS est présenté, il permet la décomposition automatique de modèles généraux en modèles simplifiés inspirés par la SUSY, et de les tester aux contraintes expérimentales incluses dans une base de données. Sous certaines hypothèses SModelS peut être utilisé pour contraindre une grande classe de modèles comprenant un candidat à la matière noire. Ces hypothèses sont discutées en détail et des études de modèles supersymétriques (non-minimaux) utilisant SModelS pour l’évaluation rapide des contraintes expérimentales sont présentées. Ces études soulignent les avantages ainsi que les limitations de l’utilisation de modèles simplifiés. Finalement, concernant les modèles simplifiés pour la recherche de matière noire, des scénarios avec un médiateur de spin-2 sont étudiés en détail. / The recent discovery of the Higgs boson completes the standard model of particle physics, but no compelling signal for physics beyond the standard model has been observed despite the numerous searches performed by experiments at the Large Hadron Collider (LHC). Nevertheless, the hierarchy problem and the observation of dark matter are compelling arguments to study theories predicting new states at the weak scale, and a main effort has been directed towards understanding the negative search results and their implications for such weak scale new physics scenarios. Simplified models have become a standard in the interpretation of LHC searches for supersymmetry (SUSY), aiming at maximal model independence. More recently a similar approach was adopted for the interpretation of dark matter searches. The success of this approach is due to the fact that the small set of free parameters relates to the observables in LHC searches in a clear way, allowing an efficient optimisation of search strategies. Moreover, generic models can be projected on a simplified model description giving an intuitive understanding of the constraints on the parameter space, and providing a fast test against LHC constraints. As the relation between generic model parameters and simplified models is generally not straightforward, sophisticated computational tools are required to facilitate such a projection.This thesis explores the various aspects of simplified model interpretations of LHC searches and how they can be used to understand the results and bridge the gap between theoretical descriptions and experimental observations. In particular the software tool SModelS is presented, a tool that automates the mapping of generic models onto SUSY-like simplified model components, and that allows direct tests against corresponding experimental limits in the included database. Under certain assumptions SModelS can be used to constrain a wide class of new physics models with a dark matter candidate. These assumptions and some explicit tests are discussed in detail, followed by studies of (non-minimal) supersymmetric models using SModelS for the fast evaluation of constraints from SUSY searches. These studies highlight the capacity as well as the limitations of using simplified model results to study generic models. Finally regarding simplified models for dark matter searches, scenarios with a spin-2 mediator are studied in detail.

Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

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Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules s’est imposé comme étant la description la plus précise des interactions fondamentales entre les particules élémentaires. La découverte d’un boson de Higgs, avec une masse de 125 GeV, en Juillet 2012 au Large Hadron Collider (LHC), en a marqué sa confirmation définitive. Cependant, de nombreux problèmes observationnels et théoriques sont au coeur du MS, la plupart liés au secteur de Higgs. Etant une particule scalaire, le boson de Higgs souffre de très grandes corrections radiatives, ce qui déstabilise l’échelle électro-faible et mène au problème de hiérarchie. L’un des buts principaux du LHC est d’explorer précisément le secteur de Higgs, afin de caractériser le mécanisme à l’origine de la brisure de la symétrie électro- faible et de tester de possibles solutions au problème de hiérarchie. Le secteur de Higgs est également responsable de la génération des masses des fermions dans le MS, par le biais des couplages de Yukawa. Ces couplages sont extrêmement non génériques et cela mène aux problèmes de la saveur au delà du MS.La première partie de cette thèse se concentre sur la caractérisation précise du secteur de Higgs. En particulier, le code public Lilith est présenté, il permet de dériver des contraintes sur des scénarios de nouvelle physique à l’aide des mesures des propriétés du boson de Higgs en collisionneurs. Une analyse des couplages du boson de Higgs dans le contexte de plusieurs scénarios est ensuite effectuée. Dans la seconde partie, la phénoménologie des modèles à deux doublets de Higgs est étudiée à la lumière des résultats de la première phase du LHC. La limite d’alignement, ainsi que la possible présence de bosons de Higgs légers, sont étudiées en détail. Finalement, dans la dernière partie de cette thèse, l’hypothèse de Violation Minimale de la Saveur est introduite comme une solution potentielle aux problèmes de la saveur au delà du MS. Appliquée au Modèle Standard Supersymétrique Minimal, l’évolution des couplages baryoniques violant la parité R sous le groupe de renormalisation est analysée en détail. / The Standard Model (SM) of particle physics stands as the most successful description of the fundamental interactions between elementary particles. The discovery of a Higgs boson, at a mass of 125 GeV, in July 2012 at the Large Hadron Collider (LHC), marked its ultimate confirmation. However, various observational and theoretical problems lie in the heart of the SM, with the majority of them linked to the Higgs sector. Being a scalar, the Higgs boson is subject to very large radiative corrections and this ultimately leads to the electroweak hierarchy problem. One of the main goals of the LHC program is to precisely probe the Higgs sector, in order to characterize the mechanism at the origin of the breaking of the electroweak symmetry and test possible solutions to the hierarchy problem. The Higgs sector is also responsible for the generation of the fermion masses, as it induces the Yukawa couplings. The SM flavor sector is highly hierarchical and this leads to flavor puzzles in theories beyond the SM.The first part of this thesis is dedicated to the precise characterization of the Higgs sector. In particular, the public tool Lilith is presented, which allows to derive constraints on new physics models based on the Higgs measurements at colliders. It is then used to perform global fits of the Higgs couplings in the context of various scenarios. In the second part, the phenomenology of two-Higgs-doublet models is studied in the light of the results from the first run of the LHC. The so-called alignment limit is explored in detail, as well as the possible presence of light scalar states. Finally, in the last part of this thesis, the Minimal Flavor Violation hypothesis is introduced as a possible solution to the flavor puzzles beyond the SM. Enforcing it in the Minimal Supersymmetric Standard Model, the renormalisation group evolution of the baryonic R-parity violating couplings is then studied in detail.