Les travaux de thèse effectués au sein de la collaboration ATLAS et présentés dans ce manuscrit se sont déroulés dans le contexte de la découverte d'une nouvelle particule dans la recherche du boson de Higgs du Modèle Standard au LHC. Après une introduction du cadre théorique, le LHC et le détecteur ATLAS sont présentés ainsi que leurs performances durant cette première phase de prise de données comprenant les données acquises en 2011 et 2012. Une attention particulière est portée aux calorimètres à argon liquide et au traitement de la qualité des données enregistrées par ce système. Des études de validation des données collectées durant des conditions non nominales de la haute tension des calorimètres à argon liquide ont abouti à la récupération de 2% des données collectées, les rendant ainsi disponibles pour l'analyse de physique. Ceci a un impact direct sur le canal H -> ZZ* -> 4 l où le nombre d'événements attendus est faible. Dans le but d'optimiser l'acceptance du canal de désintégration en quatre électrons, des nouveaux algorithmes de reconstruction des électrons ont été introduits en 2012, et la mesure de son efficacité est présentée. Le gain d'efficacité allant jusqu'à 7% pour les électrons de basse énergie transverse (15<E_T<20 GeV) constitue une des améliorations de l'analyse dans le canal H -> ZZ* -> 4 l qui est présentée pour les données 2012. Les méthodes d'estimation du bruit de fond réductible des canaux contenant des électrons dans l'état final ont été au centre de l'attention durant la période qui a suivi la découverte et sont particulièrement décrites. Les mesures de propriétés du boson découvert, basées sur les données de 2011 et 2012 sont présentées. / The work presented in this thesis within the ATLAS collaboration was performed in the context of the discovery of a new particle at the LHC in the search for the Standard Model Higgs boson. My contribution to the Higgs boson search is focused in the H -> ZZ* -> 4 l channel at different level, from the data taking to the physics analysis. After a theoretical introduction, the LHC and the ATLAS detector are presented as well as their performance during the 2011 and 2012 runs. A particular consideration is given to the liquid argon calorimeters and to the data quality assesment of this system. The validation of the data recorded during non-nominal high voltage conditions is presented. This study allowed to recover 2% of the data collected available for physics analyses. This has a direct impact on the H -> ZZ* -> 4 l channel were the number of signal events expected is very low. In order to optimize the acceptance of the four electrons decay channel, novel electron reconstruction algorithms were introducted in 2012. The measurement of their efficiency is presented. The efficiency gain reaching 7% for low transverse energy electrons (15<E_T<20 GeV) is one of the main improvements in the H -> ZZ* -> 4 l analysis presented using the data recorded in 2012. The reducible background estimation methods in the channels containing electrons in the final state that were of primary importance after the discovery are detailed. Finally, the measurement of the new boson properties are presented based on the 2011 and the 2012 recorded data.

Ce travail présente les mesures de section efficace de production de photons isoles dans les collisions proton-proton avec l’expérience ATLAS au LHC, a une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les résultats sont d’abord obtenus pour une luminosité intégrée de 880 nb−1, puis dans un deuxième temps pour une luminosité de 36 pb−1. Les mesures faites avec 880 nb−1 et 36 pb−1 couvrent, respectivement, les intervalles en énergie transverse 15 ≤ E < 100 GeV et 45 ≤ E < 400 GeV. Les résultats sont compares aux prédictions de la chromodynamique quantique perturbative à l’ordre NLO. Les premières études pour la recherche du Higgs dans le canal de désintégration en deux photons sont également présentées pour 38 pb−1 de données collectées par l’expérience ATLAS en 2010 (et plus récemment pour 210 pb−1 accumules en 2011). Les limites d’exclusion observées sont citées en fonction d’une masse de Higgs se situant dans l’intervalle 110-140 GeV. / This work presents the measurements with the ATLAS experiment of the cross section for inclusive production of isolated prompt photons in proton-proton collisions at a centre-ofmass energy √s = 7 TeV. The first results are based on an integrated luminosity of 880 nb−1 and the later results are based on 36 pb−1, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements performed with 880 nb−1 and 36 pb−1 cover the transverse energy range 15 ≤ E < 100 GeV and 45 ≤ E < 400 GeV, respectively.The results are compared to predictions from next-to-leading order perturbative QCD calculations. In addition, are also presented the first studies for the search for the Higgs boson in the decay channel into two photons with 38 pb−1 data collected by the ATLAS experiment in 2010 (and more recently with 210 pb−1 collected in 2011). Observed exclusion limits are quoted as a function of the Higgs mass in the range 110-140 GeV.

Le LHC est un collisionneur de protons, situé 100 mètres sous la frontière franco-suisse, conçu pour fonctionner à sqrt(s) = 14 TeV. Les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV ont eu lieu au début de l'année 2010, ouvrant la chasse aux nouvelles particules telles le boson de Higgs, les partenaires supersymétriques... Ces premières données ont permis aussi de faire des mesures de précisions afin de vérifier le fonctionnement du détecteur et de contraindre certains paramètre du Modèle Standard. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en deux parties distinctes dont le but est de contraindre d'éventuels biais et sources d'erreurs systématiques pour permettre une première mesure précise de la masse du boson W au LHC. D'un point de vue technique, une analyse consistant à étudier les variations de température de l'argon liquide, dans lequel sont immergés les calorimètres a été menée afin de comprendre leur origine et de limiter leur contribution à l'incertitude sur l'échelle d'énergie des électrons. D'autre part, le travail a été focalisé sur les effets de polarisation, en développant et proposant trois mesures originales : la quantification de leur influence sur la détermination directe de MW au LHC, les mesures de fractions d'hélicité dans les données 2010 et une mesure de l'asymétrie de charge permettant de découpler les effets de PDFs des effets de polarisation, appliquée aux données 2010. / The LHC is a proton collider, buried 100 meters below the franco-swiss border, built to work at sqrt(s) = 14 TeV. First collisions at sqrt(s) = 7 TeV occurred in the beginning of 2010, starting officially new particles hunting, like Higgs boson, supersymmetric partner... First data have also been used to do precision measurements in order to check detector performances and constrain many Standard Model parameters. The latter will be the main topic of this thesis.The work presented within this manuscript can be split in two different parts aiming to a common goal: reduce possible bias and systematic errors to provide a first precise W boson mass measurement at the LHC. On a technical aspect, an analysis has been done on the liquid argon that lies within calorimeter's cryostat, in order to understand temperature fluctuation and quantify its effect on the electron energy scale. On the other hand, attention has been focused on polarization effects, by developping and proposing three new measurements: quantification of their influence on MW measurement at the LHC, helicity fractions measurement in 2010 data and a charge asymmetry measurement that decouples PDF and polarization effects, on 2010 data.

Le 4 Juillet 2012, la découverte d'une nouvelle particule scalaire d'une masse de l’ordre de 125 GeV a été annoncée par les collaborations ATLAS et CMS.Une nouvelle ère s'annonce : celle au cours de laquelle il faudra déterminer précisément les propriétés de cette nouvelle particule.Cela est crucial afin d'établir si cette particule est bien la trace du mécanisme responsable de la brisure de la symétrie du secteur électro-faible. Cela permettrait aussi de repérer tout élément susceptible d'être associé à une « nouvelle physique » dans le cas où le mécanisme de brisure ferait intervenir des ingrédients autres que ceux prédits par le Modèle Standard.Dans cette thèse, nous avons essayé de comprendre et de caractériser jusqu’à quel point ce nouveau champ scalaire est le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Nous avons établi les applications d'une telle découverte dans le contexte de théories supersymétriques et de modèles décrivant la matière noire.Dans une première partie consacrée au Modèle Standard de la physique des particules, nous étudions après une courte introduction au domaine, le processus de production d'une paire de bosons de Higgs au LHC. Un résultat majeur est que ce mode de production permettra de mesurer le couplage trilinéaire du Higgs qui est un paramètre essentiel à mesurer afin de reconstruire le potentiel du Higgs et donc représente la dernière vérification à effectuer pour confirmer l'origine de la brisure spontanée de la symétrie électro-faible.La deuxième partie traite des théories supersymétriques. Après une introduction au sujet, un de nos importants résultats est d'avoir fortement contraint un certain nombre de modèles supersymétriques après la découverte du boson de Higgs. Nous avons aussi introduit une nouvelle approche qui permet aux physiciens expérimentateurs de rechercher de manière efficace les bosons de Higgs supersymétriques dans les expériences actuelles et futures du LHC.La troisième partie concerne la matière noire. Nous présentons des résultats qui établis-sent d'importantes limitations sur des modèles où la matière noire interagirait avec le boson de Higgs. Nous discutons aussi de scénarios alternatifs qui font intervenir de la matière noire hors équilibre avec le bain thermique. Dans un premier temps nous dé-montrons qu'il existe un lien étroit entre la température de réchauffement de l'univers et le schéma de brisure du groupe de jauge du Modèle Standard et dans un deuxième temps nous étudions la genèse de matière noire par l'intermédiaire de nouveaux bosons Z’. / 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.

Le futur Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur leptonique dont le but est de poursuivre le programme physique effectué par le LHC. Ce collisionneur permettra, entre autres, de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC. Deux détecteurs de particules sont prévus pour équiper le point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD. Ces deux détecteurs sont conçus afin de permettre l'application d'algorithmes de suivi de particules. Cette technique innovante permettrait d'améliorer la reconstruction et la mesure en énergie des jets. Pour permettre l'application de ces algorithmes de suivi de particules, les calorimètres équipant ces détecteurs doivent disposer d'une très grande granularité. Le calorimètre hadronique à lecture semi-numérique SDHCAL fait partie des options possibles pour équiper l'ILD. Ce calorimètre utilise des chambres à plaques résistives de verre comme partie active. La lecture s'effectue par des canaux de 1 cm x 1 cm. Un prototype a été développé en 2011, en grande partie à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et régulièrement soumis à des faisceaux de muons, d'électrons et de hadrons au CERN. Une grande partie de cette thèse est consacrée à mes travaux sur le programme de simulation du SDHCAL. L'analyse des données enregistrées en Octobre 2015 m'a permis de perfectionner l'algorithme de simulation des chambres à plaques résistives de verre utilisées dans le prototype. Une comparaison de la topologie des gerbes hadroniques et électromagnétiques entre des gerbes provenant de données expérimentales et des gerbes simulées sera présentée. Une autre partie est consacrée à la reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques au sein du SDHCAL. En utilisant la simulation du SDHCAL, j'ai pu étudier l'impact de la composante électromagnétique sur l'estimation de l'énergie des gerbes hadroniques, ce qui m'a permis de proposer une méthode alternative de reconstruction de l'énergie permettant d'améliorer les performances du SDHCAL. J'ai pu également étudier l'impact de l'utilisation d'une électronique de lecture plus avancée sur l'estimation de l'énergie. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la mesure de la section efficace du processus e+e- → HZ en utilisant les désintégrations hadroniques du Z, dans le cadre d'une simulation complète de l'ILD utilisant le SDHCAL comme calorimètre hadronique. Pour une énergie de collision de 250 GeV, la précision attendue sur la mesure de cette section efficace est de 1,8%. Cette précision est comparable à celle obtenue en utilisant les désintégrations leptoniques du Z / The future International Linear Collider ILC is a project of a leptonic collider which aims to continue the physical program of the LHC. Using this collider, it will be possible to precisely measure the properties of the Higgs Boson, discovered in 2012 at the LHC. Two particle detectors are planned to equip the colliding point of the ILC, the International Large Detector ILD, and the Silicon Detector SiD. These two detectors are designed with the prospect of using particle flow algorithms. This innovative technique can improve the reconstruction and energy measurement of the jets. To apply these particle flow algorithms, highly granular calorimeters have to be used. The semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL is proposed to equip the International Large Detector. This calorimeter uses Glass Resistive Plate Chambers as the active part. The readout is done using 1cm x 1cm channels. A prototype has been developed in 2011, mainly at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon, and regularly exposed to muons, electrons and hadrons beams at CERN. During this thesis, I mainly worked on the SDHCAL simulation program. Using the data taken in October 2015, I could improve the algorithm which simulates the response of the Glass Resistive Plate Chambers used in the prototype. A comparison of the topology of the electromagnetic and hadronic showers from data and simulation will be presented. Another part of this thesis is focused on the energy reconstruction of the hadronic showers in the SDHCAL. By using the SDHCAL simulation, I could study the impact of the electromagnetic component on the energy estimation of the hadronic showers, from which I could propose an alternative method for reconstructing the energy, which improves the performance of the SDHCAL. I could also study the impact of using a more advanced readout electronics on the energy estimation

Dans ce document, je présente mes contributions à une première mesure de la masse du boson W au LHC, exploitant 4.7 fb⁻¹ de données à 7 TeV, collectées en 2011. Je me concentre surtout sur le canal électronique, W → eν. Dans la première partie, j’aborde des études de performance du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, proposant une méthode innovante de correction des profils latéraux de dépôt d'énergie des électrons. Des études de différentes versions de Geant4 sont également abordées. Dans la deuxième partie, je détaille mes contributions après avoir introduit la méthode globale de mesure de la masse du boson W adoptée par ATLAS : je présente dans un premier temps le calcul d’incertitudes systématiques introduites par la modélisation des gerbes de partons dans Pythia8, et une optimisation de l’intervalle d’ajustement en utilisant l’impulsion transverse du lepton, dans le but de réduire les incertitudes correspondantes. Dans un deuxième temps, je présente une estimation de bruit de fond provenant de jets de partons, dans le canal W → eν, en développant une méthode basée sur les données, ainsi que les résultats correspondants, en termes de nombre d’événements et de fractions par rapport aux données. Les incertitudes sur la masse du W provenant de cette méthode sont aussi détaillées. Enfin, un état de l’art de l’analyse est montré, en détaillant les incertitudes dans le canal électronique, en fonction de la pseudo-rapidité et du bruit d’empilement. / In this document, I present my contributions to a first measurement of the W-mass in the LHC using 4.7 fb⁻¹ of 7 TeV data, taken in 2011. I focus on the electron decay channel, W → eν. In the first part, I discuss a study regarding the performance of the electromagnetic calorimeter of the ATLAS detector, presenting a novel method to correct the lateral profiles of electron energy deposit, along with various studies of the different Geant4 physics lists versions. In the second part, I introduce the global methodology for the W-mass measurement used in ATLAS, and discuss my contributions in details. I show in a first step the assessment of uncertainties coming from the parton shower modeling in Pythia8, and the optimization of the lepton's transverse momentum fitting range in order to reduce the systematic uncertainty. In a second step, I present an elaborate data-driven method for the estimation of the multijet background in the W → eν channel, as well as the corresponding results in terms of event yields and fractions with respect to the signal data. The corresponding uncertainties on the W-mass are also shown. Finally, I show the state of the art of the analysis, by gathering the full breakdown of the uncertainties, in bins of pseudorapidity and average pileup.

La mesure de la masse du boson W est un des enjeux majeurs de LEP2. Dans le canal<br />W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar, une erreur systématique importante provient des corrélations de<br />Bose-Einstein, pouvant induire une fragmentation non indépendante des deux W.<br /><br /><br />Cette thèse porte sur la mesure des corrélations de Bose-Einstein dans les désintégrations<br />de paires de bosons W. Nous nous attacherons notamment à la mesure de<br />telles corrélations entre pions issus de W différents.<br /><br /><br />La théorie du modèle standard et la description de l'expérience ALEPH feront<br />l'objet des deux premiers chapitres. Le travail d'analyse comporte la mise au point<br />d'une sélection d'événements W+ W- -> q1 q2bar l nu_l, quand le lepton est un muon ou un<br />électron, présentée au chapitre trois. La sélection des événements W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar<br />et W+ W- -> q1 q2bar tau nu seront également décrites dans cette partie. Les différents<br />modèles phénoménologiques simulant les corrélations de Bose-Einstein sont introduits<br />au chapitre quatre, en même temps que leur ajustement sur les données d'ALEPH<br />enregistrées à $\sqrt(s)$ = 91 GeV. Les prédictions de ces modèles sont ensuite comparées<br />aux résultats obtenus dans les désintégrations W+ W- observées à des énergies de<br />collisions de 172, 183 et 189 GeV. L'hypothèse de corrélations entre pions issus de<br />W différents dans le canal W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar est défavorisée à hauteur de 2.7<br />écarts standard.

The Higgs sector is the last part of the standard model of particle physics where we lack directexperimental results. Many extensions to the standard model describe an extended Higgs sector,often containing charged scalar bosons in addition to the standard model’s neutral Higgs boson.The H+WZ vertex can be used to distinguish between different non-standard Higgs sectors, andto measure the mass of the charged Higgs boson. In this report I will examine a promising searchchannels at the LHC and look at its phenomenology using monte carlo simulations.

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

The ATLAS experiment at the LHC is searching for evidence of charged Higgs bosons, without yet finding it. This report investigates the possibility of reconstructing charged Higgs bosons using multi-jet final states (pp -&gt; [b]tH+ -&gt; [b]bbbql\nu) with focus on fully hadronic H^+ -&gt; hW decays using a simulation of 500k events with m_{H+} = 250 GeV. After optimizing TMVA (Toolkit for Multivariate Analysis) input variables for BDT (Boosted Decision Trees), the mass of H+ was recreated with an efficiency of up to 26,7% (correct combinations).