The electron energy loss spectrometer at Virginia Tech has been modified with new momentum deflectors and various other hardware improvements. In addition to some hardware changes all the software to run the spectrometer and analyze the data has been rewritten. It was suggested by Tsuei (1990) that a nested Fermi surface could be used to explain both the fact that these materials have high superconducting transition temperatures and have linear relaxation rates. It was suggested in that same paper that EELS might be able to confirm the presence of Fermi surface nesting. We have attempted to use transmission electron energy loss spectroscopy in a novel way to search for evidence of Fermi surface nesting in the high T_c superconductor Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈. High quality single crystal samples were obtained and thinned for use in the EELS. Data was taken at low energy (<1.0eV) and momentum was scanned along three different momentum transfer directions for |q| =0.0 to 3.0Å⁻¹. The data was scaled to be Im(-1/ε). A calculation of Im(-1/ε) was performed using a tight binding model and it was found that the features associated with the Fermi surface (from this TB calculation) were too small to be seen in our spectra. We interpret this problem to be associated with the presence of thermal diffuse scattering. / Ph. D.

In dieser Arbeit wird untersucht, ob es möglich ist, mit den Mitteln der Theoretischen Physik mehr auszusagen über das, was sich unter dem Vakuum, aus dem der Urknall erfolgte, verstehen lässt. Hierbei wird deutlich, dass es sich nicht mehr um eine Theorie im eigentlichen Sinne, also um widerlegbare Aussagen handeln, sondern stattdessen um eine Art Modell, das nur anhand von Indizien auf seine Tauglichkeit geprüft werden kann, indem z. B. bisher unbekannte Vorhersagen bestätigt werden oder nicht. Eine solche bisher unbekannte fundamentale Aussage ist, dass dieses Modell zum Ergebnis hat, Schwarze Riesenlöcher entstehen mit dem Freisetzen Dunkler Materie als erstes nach dem Urknall und sind für die Strukturierung des Universums maßgeblich. Beim Begründen dieses Modells wird auf die Methodik in der Veröffentlichung über die mögliche Anatomie Schwarzer Löcher zurückgegriffen. Allerdings konnte in jener Arbeit die mathematische Möglichkeit des Vakuums lediglich als Existenz zweier Antipoden, Energie und Dunkler Energie, am gleichen Ort genannt, aber kein physikalischer Weg dazu aufgezeigt werden. Dort hieß es „Zur Erklärung des Vakuumzustands sehe ich keine Möglichkeit, weil er durch den simplen Zusammenhang, dass gleichviel Energie beider Arten am gleichen Ort sich gegenseitig auslöschen, also von jeder der beiden Energiearten einzeln aus betrachtet praktisch nicht mehr vorhanden ist, mathematisch geradezu trivial, aber physikalisch nicht erklärbar scheint.“ Hier wird nun eine mögliche physikalische Lösung aufgezeigt, die aber ein Entstehen der G-Bosonen erst nach dem Urknall, wie dort noch angenommen, ausschließt. Jetzt muss vielmehr angenommen werden, dass die G-Bosonen bereits im Vakuum existieren und als Dunkle Materie der Gegenpart zur Dunklen Energie sind. Es wird gezeigt, dass sehr wohl zwei sich vollständig kompensierende Dinge, die sich auch noch abstoßen, dennoch einen stabilen Zustand haben können und alle Eigenschaften, die physikalisch von einem Vakuum erwartet werden, erfüllen. Der Preis für diese theoretische Betrachtung ist leider, dass dabei aus den technischen Grenzen unserer Zivilisation heraus experimentell nicht mehr nachprüfbare Aussagen gemacht werden und Nachprüfungen der Theorie nur noch über astronomisch und astrophysikalisch ermittelte Bestätigungen oder Widerlegungen in Form von Indizien Hinweise geben können.:1. Abstract 2. Einleitung 3. Vorbetrachtung 4. Das Kräftegleichgewicht im lichtschnellen Fall 4.1 Gleichgewichtsverhalten lichtschneller Energie, Dunkler Materie 4.2 Gleichgewichtsverhalten Dunkler Energie 4.3 Gleichgewichtsverhalten Dunkler Energie im Gravitationsfeld von lichtschneller Energie bzw. Dunkler Materie 4.4 Gleichgewichtsverhalten lichtschneller Energie im Gravitationsfeld von Dunkler Energie 4.5 Zusammenfassung 5. Das Vakuum 6. Der Urknall 7. Der philosophische Aspekt 8. Astronomische Befunde 9. Schlussbetrachtung

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 Modèle Standard de la physique des particules prédit l’existence d’un boson scalaire massif, appelé boson de Higgs dans la littérature, comme résultant d’un mécanisme de brisure spontanée de symétrie, qui permettrait de générer la masse des particules. Le boson de Higgs, dont la masse est inconnue théoriquement, est recherché expérimentalement depuis plusieurs décennies. L’expérience ATLAS, au collisionneur LHC, a aussi entrepris cette recherche, depuis le début des collisions de protons à haute énergie en 2010. Un des canaux de désintégrations les plus intéressants à étudier dans cet environnement est le canal en deux photons, car l’état final peut être intégralement reconstruit avec une grande précision. La réponse en énergie des photons est un point crucial dans la recherche du boson de Higgs, car une résonance fine émergeant d’un bruit de fond important est attendue. Dans cette thèse une étude approfondie de la réponse en énergie des photons en utilisant le calorimètre électromagnétique d’ATLAS a été faite. Ces études ont permis de mieux comprendre la résolution et l’échelle d’énergie des photons, et donc d’améliorer la sensibilité de l’analyse d’une part et de mieux estimer les incertitudes expérimentales sur la position du signal d’autre part. Le canal en deux photons a eu un rôle prépondérant dans la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs en Juillet 2012 par les expériences ATLAS et CMS. En utilisant ce canal ainsi que la meilleure compréhension de la réponse en énergie acquise au cours de cette thèse, une mesure de la masse du boson est proposée avec les données collectées durant les années 2011 et 2012 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et 8 TeV.Une masse de 126.8 +/- 0.2 (stat) +/- 0.7 (syst) GeV/c2 est trouvée. L’étalonnage de la mesure de l’énergie des photons avec le calorimètre électromagnétique est la plus grande source d’incertitude sur cette mesure. Une stratégie pour réduire cette erreur systématique sur la masse est discutée. / The Standard Model of the particle physics predicts the existence of a massive scalar boson, usually referred to as Higgs boson in the literature, as resulting from the Spontaneous Symmetry Breaking mechanism, needed to generate the mass of the particles. The Higgs boson whose mass is theoretically undetermined, is experimentally looked for since half a century by various experiments. This is the case of the ATLAS experiment at LHC which started taking data from high energy collisions in 2010. One of the most important decay channel in the LHC environment is the diphoton channel, because the final state can be completely reconstructed with high precision. The photon energy response is a key point in this analysis, as the signal would appear as a narrow resonance over a large background. In this thesis, a detailed study of the photon energy response, using the ATLAS electromagnetic calorimeter has been performed. This study has provided a better understanding of the photon energy resolution and scale, thus enabling an improvement of the sensitivity of the diphoton analysis as well as a precise determination of the systematic uncertainties on the peak position. The diphoton decay channel had a prominent role in the discovery of a new particle compatible with the Standard Model Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments, that occurred in July 2012. Using this channel as well as the better understanding of the photon energy response, a measurement of the mass of this particle is proposed in this thesis, with the data collected in 2011 and 2012 at a center-of-mass energy of 7 TeV and 8 TeV. A mass of 126.8 +/- 0.2 (stat) +\- 0.7 (syst) GeV/c2 is found. The calibration of the photon energy measurement with the calorimeter is the source of the largest systematic uncertainty on this measurement. Strategies to reduce this systematic error are discussed.

En 2011, le LHC a fourni près de 5 fb−1 de données aux expériences. Ces données ont été utilisées pour comprendre plus avant les détecteurs, leurs performances et effectuer des analyses de physique. Cette thèse est organisée en cinq chapitres. Le premier est une introduction théorique au Modèle Standard et à une de ses extensions possible : la TechniCouleur. Le deuxième chapitre donne un bref aperçu de l'accélérateur LHC et de l'expérience ATLAS. Dans le troisième chapitre, l'un des principaux sous-système de l'expérience ATLAS est présenté : le calorimètre à argon liquide. L'algorithme de contrôle de l'acquisition et de la qualité des données que j'ai développé au cours de ma thèse est également présenté. Le quatrième chapitre présente une étude des performances de la reconstruction des jets basée sur l'ensemble des données acquises en 2010. Cette étude a montré qu'en 2010, la résolution en énergie des jets dans le Monte-Carlo a été sous-estimée d'un facteur relatif d'environ 10% par rapport aux données. Cette étude a été ensuite reconduite pour évaluer l'impact de la réduction de la HV dans des zones du calorimètre sur la résolution en énergie des jets. Cet impact a été jugée négligeable. Pour des jets produits avec une rapidité |y| < 0.8, l'augmentation de la résolution en énergie due à la réduction de la HV, est évaluée à moins de 3 % pour un jet de pT = 30 GeV jet, et moins de 0,1 % pour un jet de pT = 500 GeV. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse présente une étude de l'état final Wgamma. La contribution des différents processus du MS participant à cet état final a été estimée à partir du Monte Carlo et des données. Une recherche de résonances étroites a ensuite été effectuée en utilisant la distribution M(W,gamma) dans un intervalle [220,440] GeV, mais aucun écart significatif des prédictions du MS n'a été observé. Cette étude a permis de fixer des limites sur la production de particules TC correspondant à M(a_{T}) > 265 GeV ou M(\rho_{T}) > 243 GeV. / In 2011 the LHC has provided almost 5 fb-1 of data to the experiments. These data have been used to perform a deep commissioning of the detectors, understand the performances of the detector and perform physics analysis. This thesis is organized in five chapter. The first one is a theoretical introduction to the Standard Model and to one of its possible extension: the TechniColor. The second chapter gives a brief overview of the LHC and the ATLAS experiments. In the third chapter one of the key subsystem of the ATLAS experiment is presented: the LAr calorimeters. The monitoring of the data acquisition developed during my thesis is also presented in this chapter. The fourth chapter presents a study of the jet performances based on the data set acquired in 2010. This study has shown that in 2010, the Monte Carlo was underestimating the jet energy resolution by a relative factor of about $10\%$. This study was refocused to evaluate the impact of the reduced LAr HV area on the jet energy resolution. The impact of the HV reduced region was found to be negligible. For jets produced with a rapidity |y|<0.8, the increase of energy resolution due to the HV reduction, is evaluated at less than 3% for a pT=30 GeV jet, and less than 0.1% for a pT=500 GeV jet. Finally the last chapter of this thesis present a study of the Wgamma final state. The standard model backgrounds contributing to this final state were estimated from Monte Carlo and from data. A search for narrow resonances was then conducted using the M(Wgamma) distribution in a range [220,440] GeV, but no significant deviation from the SM was observed. This study has allowed to set limits on the production of TC particles corresponding to M(a_{T}) > 265 GeV or M(\rho_{T}) > 243 GeV.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

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In 2010, the Large Hadron Collider (\\lhc{}) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) near Geneva (Switzerland) came into full operation providing proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\\sqrt{s} = \\unit[7]{TeV}$. \\lhc{} data may allow the observation of the Higgs boson, the last unknown building block of the standard model of particle physics (SM). Di-muon final states containing heavy flavour jets pose an irreducible background for searches of the Higgs boson as predicted the SM or theories beyond. They also provide a unique testbed for tests of perturbative Quantum Chromo-Dynamics (pQCD). This thesis provides a measurement of the cross section of events with one di-muon pair with an invariant mass in the \\Z{} mass region and at least one heavy flavour jet. Studies on acceptance and systematic effects of the experimental setup are presented as well as a comparison to theoretical predictions. The total inclusive cross section of \\zbFS{} events was observed as $\\sigma(\\mu^{+}\\mu^{-}+b+X) = \\unit[(4.15 ^{+0.97}_{-0.89} (stat.) ^{+0.45}_{-0.53} (syst.))]{pb} $ from the equivalent of $\\unit[36]{pb^{-1}}$ of data. Agreement with pQCD predictions at next-to leading order (NLO) is found while tensions with leading order (LO) predictions are observed. Further, the cross-section ratio \\RwZ{} with events containing two muons and at least one jet of any origin was measured to $\\mathcal{R} = \\unit[4.6 ^{+1.4}_{-1.2} (stat.) \\pm 0.5 (syst.)]{\\%}$. This is found to agree with NLO and LO calculations within known uncertainties.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée / The Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organisation for Nuclear Research) has been in operation since 2009 at the border between France and Switzerland. This particle accelerator has provided a significant quantity of proton-proton collisions, at center of mass energies of 7 TeV (2010 and 2011) and 8 TeV (since April 2012). One of the purposes of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which records and analyses those collisions, is the search for Higgs bosons. In the Standard Model, this particle would be the quantum of the Higgs field, thought to explain the electroweak symmetry-breaking mechanism. One of the most sensitive channels for the search for a light Higgs boson (i.e. for masses between 90 GeV=c2 and 150 GeV=c2) at the LHC is through its decay into two photons. Indeed, the production of two highly energetic and isolated photons in the final state is a clean signal in hadronic collisions, despite the small branching ratio. Moreover, at these masses, the width of the reconstructed invariant mass peak is dominated by the detector resolution. Hence, a precise understanding of the photon object as reconstructed by the experiment is required. The first part of the work presented here is the study of radiative decays Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ these decays are the only Standard Model source of high purity certified photons, for which the transverse momentum of the photon is relatively similar to the one of the photons coming from a Higgs boson decay. The study of these decays enables the determination of the differential photon energy scale in the 7 TeV data. These decays have also been used in the 8 TeV data as a validation tool of photon cluster shape variables in the simulation, and also as a way to determine the electron rejection criteria efficiency. The second part of the work concerns the search for a Higgs boson decaying into two photons. This search is done in several event classes in order to increase the sensitivity of the analysis, the study of the class separation procedure is presented. Finally, a benchmark study for the search for a Higgs boson decaying into two photons via vector-like top-partner decays at 14 TeV has been performed