Dans cette thèse, je présente ma contribution à l'observation d'un nouveau boson au LHC avec le détecteur ATLAS dans le canal de désintégration en deux photons. Ce boson est compatible avec le boson scalaire du Modèle Standard longtemps recherché et a une masse de 126.0 +/-0.4 (stat) +/-0.4 (sys) GeV obtenue en combinant les canaux gamma gamma et ZZ. Les données utilisées sont celles collectées par l'expérience ATLAS durant l'année 2011 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et durant les trois premiers mois du run en 2012 avec une énergie de centre de masse de 8 TeV. La luminosité totale correspondante est de ~10 fb-1. L'excès observé a une significance locale de 4.5 sigma dans le canal gamma gamma et de 5.9 sigma en combinant tous les canaux analysés. De même, diverses contributions aux analyses des données, dans le canal H en gamma gamma, depuis l'année 2009 jusqu'en 2012 sont aussi montrées.

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.

In this thesis we employ various mean-field approaches to study the shortrange interaction effects in topological insulators. We start with the Kane-Mele model on the decorated honeycomb lattice and study the stability of topological insulator phase against different perturbations. We establish an adiabatic connection between a noninteracting topological insulator and a strongly interacting spin liquid in its Majorana fermion representation. We use the Hartree-Fock mean-field approach, slave-rotor approach and slave-boson approach to study correlation effects related to topological insulators. With the spontaneous symmetry breaking mechanism, we can have an interaction driven topological insulator with extended Hubbard models on the kagome lattice and decorated honeycomb lattice. For the interplay among spin-orbit coupling, distortion and correlation effect in transition metal oxides, we use the slave-rotor mean-field approach to study its phase transition. We identify regimes where a strong topological Mott insulator and a weak topological insulator reside due to the strong Coulomb interaction and distortion. This is relevant to experiments with the transition metal oxides as they hold promise to realize topological insulators. To study the doping effects and a possible spin liquid in Kane-Mele-Hubbard model on the honeycomb lattice, we employ the slave-boson mean-field approach which is appropriate for the intermediate interaction strength. We compare our results with those obtained from other methods. / text

Le détecteur ATLAS est un expérience généraliste placé auprès du collisionneur proton-proton circulaire de 27 Km de circonférence, LHC. Le LHC est conçu pour produire des collisions avec une énergie nominale au centre de masse de l'ordre de 14 TeV et une luminosité instantané de 1034cm-2s-1.Il donne accès à des processus à l'échelle du TeV. En 2010 et 2011 le LHC a fournit des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV donnant la possibilité d'enregistrer plus de 5 fb-1 de données. En 2012 le LHC a ensuite fournit des collisions avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La présente thèse traite de la mesure de la section efficace de production des paires de quarks top anti-top dans le mode de désintégration complètement hadronique utilisant les données enregistrées par l'expérience ATLAS en 2011 avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 4.7 fb-1. Le canal complètement hadronique a l'avantage d'être caractérisé par un rapport d'embranchement de 46%. Il souffre par contre d'un bruit de fond multi-jet QCD élevé. Le principal bruit de fond pour la production des paires des quark top-antitop est dû aux processus QCD avec au mois six de quarks/gluons dans l'état final. Ce bruit de fond n'est malheureusement pas bien connu et donc difficile à reproduire par simulation Monté-Carlo. Il est estimé à partir des données. La section efficace ainsi mesuré est 168±12 (stat.) +60/-57(syst.) ± 7 (lum.) pb. La deuxième analyse présentée dans la cette thèse se focalise sur la recherche du boson du Higgs produit en association avec une paire de quark top, où le boson de Higgs se désintégré en paires de quarks b, et le système top-anti-top se désintégrant dans le canal complètement hadronique. L'analyse est effectuée sur les mémés données utilisées par la mesure de la section efficace top-anti top. Deux bruits de fond principaux peuvent être distingués: la production des paires de quarks top avec la présence des jets supplémentaires et la production QCD. Le premier bruit de fond est estimé en utilisant le modelé Monté-Carlo différenciant la production de jets légers des jets lourds. Le deuxième bruit de fond est estimé avec les données. Le but de cette étude est de montrer le potentiel du canal complètement hadronique en regardant le signal sur la racine du bruit du fond dans les régions de signal et en faisant une comparaison avec les résultats publics présentés par l'ATLAS dans le canal semileptonic.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z' portal.

Cette thèse étudie la faisabilité d'une mesure qui vise à vérifier quantitativement un effet quantique. La mesure est proposée pour un gaz d'hélium métastable refroidi dans la gamme du microkelvin.<br /><br />Il est connu que les atomes obéissent à une statistique quantique qui, si les atomes sont des bosons, est similaire à celle des photons. L'effet de groupement de bosons en est une conséquence: sur un détecteur, les bosons arrivent préférentiellement groupés. On le met en évidence en mesurant la probabilité de détection d'un boson dans une fenêtre de temps, retardée par rapport à l'arrivée d'un premier boson. Ceci nous donne la fonction de corrélation du flux de particules. Ce signal a été observé avec des photons. Il doit pouvoir l'être avec des atomes : c'est précisément ce que ce travail démontre.<br /><br />On étudie donc la réalisation expérimentale d'une mesure de groupement de bosons, effectuée sur des atomes d'hélium métastable refroidis au voisinage de la température de transition (vers le condensat de Bose-Einstein). Pour ce faire, nous partons d'un dispositif expérimental qui a montré la condensation de l'hélium métastable. On prévoit quantitativement comment l'effet se manifeste sur un tel montage. On justifie notamment que le signal est observable après temps de vol des atomes, et on prédit sa forme dans le cas d'atomes condensés ou non : la fonction de corrélation s'aplatit quand les atomes se condensent. On présente ensuite le détecteur utilisé : c'est un système de comptage d'atomes sensible en position et très bien résolu en temps, à base de lignes à retard. On décrit enfin le travail expérimental sur le montage, travail qui a permis d'aboutir à la mesure de l'effet de groupement.

This document, prepared to obtain the "Habilitation à Diriger des Recherches", is a compendium of the photon-related analysis activities I carried on within ATLAS in the past four years and a half. The activities I will describe can be broadly classified into three categories: optimization and/or in situ measurement of photon-related performance, measurements of the cross sections of Standard Model processes producing prompt photons, and searches (leading to discovery!) of a Standard Model Higgs boson decaying to final states containing photons.

Le sujet de cette thèse est la recherche du boson de Higgs du Modèle Standard par sa désintégration en quatre leptons avec l'expérience ATLAS au CERN. La théorie qui prédit le boson du Higgs est présentée et les contraintes de la théorie et des recherches directes et indirectes sont citées. L'expérience ATLAS et ses composants sont décrits et le Système de Contrôle du Détecteur pourle fonctionnement et la surveillance des blocs d'alimentation des chambres à tubes de dérive est détaillé. La reconstruction et l'identification des électrons et des muons sont résumées. Des études de performance sur les taux de faux muons, sur l'effet d'empilement sur l'isolation des muons, et sur l'efficacité de l'isolation et du paramètre d'impact des muons sont présentées. L'analyse de la désintégration de Higgs en quatre leptons est détaillée en mettant l'accent sur l'estimation du bruit de fond, les méthodes employées et les régions de contrôle utilisées. Les résultats de la recherche avec les données de 2011 à √s = 7TeV sont présentées, qui ont conduit à l'indication de l'observation du boson de Higgs. L'optimisation réalisée pour la recherche d'un boson de Higgs de basse masse est décrite et l'effet sur les données de 2011 sont présentés. L'analyse est effectuée avec les données de 2011 à √s = 8TeV collectées jusqu'au juillet et les résultats sont présentés, incluant la combinaison avec les données de 2011. Ces derniers résultats ont conduit à l'observation d'une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs du Modèle Standard.

I construct anti-de Sitter boson stars in Einstein-Gauss-Bonnet gravity coupled to a (D-1)/(2)-tuplet of complex massless scalar field both perturbativelyand numerically in D=5,7,9,11 dimensions. Due to the choice of scalar fields, these solutions possess just a single helical Killing symmetry. For each choice of the Gauss-Bonnet parameter &alpha;&#8800;&alpha;_cr, the central energy density at the center of the boson star, q_0 completely characterizes the one parameter family of solutions. These solutions obey the first law of thermodynamics, in the case of the numerics, to within 1 part in 10^6. I describe the dependence of the boson star mass, angular momentum and angular velocity on &alpha; and on the dimensionality. For &alpha;<&alpha;_cr and D>5, these quantities exhibit damped oscillations about finite central values and the central energy density tends to infinity. The Kretschmann invariant at the center of the boson star diverges in the limit of diverging central energy. This contrasts the D=5 case, where the Kretschmann invariant diverges at a finite value of the central energy density. Solutions where &alpha;<&alpha;_cr, correspond to negative mass boson stars, and the for all dimensions the boson star mass and angular momentum decrease exponentially as the central energy density tends toward infinity with the Kretschmann invariant diverging only when in the limit the central energy density diverges. I also briefly discuss the difficulties of numerically obtaining single Killing vector hairy black hole solutions and present the explicit boundary conditions for both Einstein gravity and Einstein-Gauss-Bonnet gravity.