L'experience ATLAS, installee au CERN, exploitera les collisions de protons du LHC pour approfondir le Modele Standard, et chercher d'éventuelles traces de nouvelle physique. L'une de ses tâches principales sera la recherche du boson de Higgs. Cette these décrit d'abord les derniers algorithmes d'etiquetage des jets b en date, et propose une methode de calibration basee sur les premieres donnees que le d´etecteur recueillera à partir de 2007. Puis l'hypothese d'un boson de Higgs de faible masse (mH < 135 GeV/c2) est consideree. Dans cette plage de masse, il devrait se désintegrer preferentiellement en une paire de quarks b. Le canal ttH a ete etudie pour la premiere fois en simulation détaillée, et avec les methodes d'etiquetage des jets b les plus récentes. Pour une luminosité integree de 30 fb−1 (trois ans de prise de données), le rapport S/pB caractérisant la sensibilité de cette analyse est 4,9, permettant une observation non ambigüe du boson de Higgs dans ce canal.

Dans ce travail, les potentialités du détecteur ATLAS pour l'identification des jets issus de quark beau sont étudiées. L'étiquetage topologique, basé sur le paramètre d'impact des traces chargées, est utilisé. Une bonne identification de ces jets sera très précieuse au LHC, en particulier durant les premières années de fonctionnement pour mettre en évidence le cas échéant un boson de Higgs d'une masse comprise entre 80 GeV/c2 et 120 GeV/c2. Pour évaluer les performances dans ce domaine, un algorithme de recherche et reconstruction des traces chargées exploitant la simulation détaillée du détecteur interne d'ATLAS a été réalisé. La recherche est initiée dans les détecteurs à pixels. L'efficacité et la qualité de reconstruction assurent une bonne discrimination entre les jets b et les autres jets. Après simulation complète et reconstruction d'événements H->bbbar, H->gg, H->uubar, H->ssbar et H->ccbar (mH = 100 GeV/c2), les réjections moyennes des jets non-b pour une efficacité d'étiqueter les jets b de 50% sont: Rg = 39+-5 Ru = 60+-9 Rs = 38+-5 Rc = 9+-1 Les résultats de l'analyse des données prises lors de tests en faisceau des premiers prototypes de matrices de détecteurs à pixels en technologie résistante aux radiations justifient les potentialités de ce type de détecteur pour la recherche de traces et la mesure précise de leur paramètre d'impact.

L'un des principaux objectifs de l'experience ATLAS est la recherche de la derniere particule manquante du modele standard, le boson de Higgs, et l'etude de ses proprietes. Cette experience sera placee aupres du futur collisionneur de protons LHC, dont le demarrage est prevu pour l'annee 2007 au CERN. Les travaux presentes dans cette these sont dedies a la recherche d'un boson de Higgs de masse inferieure a 200 GeV/c2, dans le canal de production associee pp->ttH. L'identification des jets contenant des hadrons beaux est fondamentale pour l'etude du boson de Higgs et du quark top. Les performances d'etiquetage des jets b sont etudiees en details dans le canal ttH, H->bb, et pour des conditions de fonctionnement tres proches de celles attendues au demarrage des prises de donnees, (detecteur a pixels incomplet, bruit d'empilement et inefficacites de detection). Pour une efficacite d'identifcation de jets b de 60%, les taux de rejet attendus sont de 80% pour les jets legers et 7% pour les jets c. Si la decouverte du boson de Higgs dans ATLAS semble relativement aisee, la mesure de ses parametres, et en particulier la determination des couplages aux differents fermions, est beaucoup plus delicate. Une etude de faisabilite est proposee pour un nouveau canal, ttH, H->WW(*). Ce canal est le seul qui permet une determination directe du couplage de Yukawa du quark top dans l'intervalle de masse 130-200 GeV/c2. Pour un boson de Higgs de 160 GeV/c2, la precision statistique attendue apres trois annees de prise de donnees a haute luminosite est de 7 %.

La seule particule du Modèle Standard qui n'a toujours pas été découverte est le boson de Higgs, qui serait à l'origine de la masse des particules élémentaires. Dans le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le secteur de Higgs consiste en cinq bosons dont deux sont chargés. La recherche du boson de Higgs chargé dans le canal gg ! ¯tbH+(H+ ! t¯b), constitue l'objet principal de cette analyse. Nous présentons une analyse qui fait usage d'une fonction de vraisemblance pour résoudre les combinatoires et reconstruire la masse du boson de Higgs chargé, et de l'étiquetage des jets b pour la supression du bruit de fond t¯t+jets. Nous montrons aussi les difficultés apportées par le bruit de fond combinatoire et affectant le pouvoir de découverte de ce canal. La présence de 4 quarks b dans l'état final que nous recherchons rend l'étiquetage des jets b très important pour l'analyse. Une partie de ce travail y a été consacrée. Nous présentons dans le cadre de la préparation aux premiéres données, plusieurs études d´dédiées à l'optimisation et la compréhension des performances. Nous présentons aussi la mise en œuvre d'un algorithme d'étiquetage simple (JetProb) qui sera utilisé pour les analyses qui seront faites avec les premiéres données.

Une recherche du boson de Higgs est effectuée dans le canal WW → lνlν en utilisant l'ensemble des données de 2011 à une énergie dans le centre de masse de √s = 7 TeV et une partie des données de 2012 à 8 TeV prises par l'expérience ATLAS auprès du LHC. Les luminosités intégrées correspondantes sont 4.7 fb−1 et 5.8 fb−1, respectivement. L'analyse est effectuée avec des coupures. Plusieurs méthodes sont introduites pour estimer à partir des données la contribution de bruits de fond des différents processus afin de minimiser l'utilisation de simulation. Pour la contribution du bruit de fond top dans le canal dominant avec zéro jet, elle est estimée avec une méthode que nous avons proposée. Une autre méthode pour corriger la forme de la distribution de l'énergie transverse manquante dans les événements Drell-Yan à partir des événements W +jets est également présentée. En 2011, le boson de Higgs du modèle standard avec la masse du Higgs de 133 à 261 GeV est exclue à 95% de niveau de confiance, tandis que la plage d'exclusion prévue est de 127 à 234 GeV. En 2012, un excès d'événements au-dessus du bruit de fond attendu est observé dans une plage de masse autour de 125GeV. En combinant les deux échantillons, la probabilité minimale ("p-value") pour que l'hypothèse bruit de fond seul fournisse autant ou plus d'événements qu'observé dans les données est de 3 × 10−3, ce qui correspond à une signifiance statistique de 2,8 écarts types. Le taux de production mesuré du signal par rapport au taux prédit pour le boson de Higgs du modèle standard à mH = 125GeV est de 1,4 ± 0,5. La probabilité attendue pour un Higgs avec mH = 125GeV est de 0,01, soit de 2,3 écarts types. La limite d'exclusion d'un Higgs dans un modèle avec une quatrième génération est également présentée en utilisant une partie de l'échantillon de données 2011, la gamme de masse entre 120 GeV et 600 GeV a été exclue à 95% de niveau de confiance. Enfin, l'étude sur le temps de dérive dans le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS est effectuée en utilisant tous les échantillons de données du rayonnement cosmique, du faisceau splash et de collision. Les résultats ne montrent aucune non-uniformité significative sur la largeur de l'espace cellulaire mis à part un effet de "sagging" dans les régions de transition dû au poids du calorimètre.

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

Cette thèse étudie les collisions pp à sqrt{s} = 8 TeV avec des paires de photons dans l'état final, telles que recueillies par l'expérience ATLAS au LHC au cours de 2012. L'état final avec diphoton s'est avéré cruciale pour la découverte du boson de Higgs. La motivation pour la recherche de résonances supplémentaires se désintégrant en deux photons est très forte en raison l'existence de nombreux modèles prévoyant un secteur de Higgs étendu. Dans le même temps, des mesures détaillées des sections efficaces diphoton sont nécessaires pour établir la précision des prédictions théoriques actuellement disponibles pour ces processus.La mesure des photons par ATLAS repose sur un excellent étalonnage de la réponse du calorimètre électromagnétique. Pour cette raison, les études liées à l'étalonnage de la réponse de photons dans le calorimètre Argon Liquide (LAr) sont initialement réalisées, y compris la mesure de l'étalonnage par rapport à l'échelle de l'énergie de la couche calorimètre utilisant des photons, et la nécessité éventuelle d'un inter-étalonnage de la réponse en énergie des photons en fonction de l'angle azimutal $phi$. Une étude de l'amplitude du bruit du calorimètre dans des conditions de pile-up élevés est également présentée, aboutissant à des recommandations pour les configurations d'échantillonnage d'impulsion LAr au Run2.La recherche d'une résonance supplémentaire se désintégrant en deux photons est effectuée et aucun signal n'est observé: une limite est mise sur la section efficace fiducielle d'une résonance multipliée par son rapport de branchement de désintégration en diphoton. La mesure de la section efficace de production de diphoton isolés en association avec des jets est effectuée en fonction de la masse invariante de diphoton, l'impulsion transverse du système diphoton, la différence d'angles dans le plan azimutal de l'angle entre les deux photons et l'angle theta de coplanarité, en fonction de la multiplicité en jets et de différentes variables associés aux jets. Les résultats sont comparés aux dernières prévisions QCD Next-To-Leading-Order QCD. Une telle mesure est la première du genre effectuée au LHC. / This thesis studies pp collisions at sqrt{s}=8 TeV with pairs of photons in the final state, as collected by the ATLAS experiment at the LHC during 2012. The diphoton final state has proven to be crucial to the discovery of the Higgs boson. The motivation for searching for additional resonances decaying into two photons is very strong due to many models predicting an extended Higgs sector. At the same time, detailed measurements of diphoton cross sections are necessary to establish the quality of the theoretical predictions currently available for these processes.The measurement of photons by ATLAS relies on an excellent calibration of the electromagnetic calorimeter response. For this reason, studies related to the calibration of the photon response in the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter are initially performed, including a measurement of the calorimeter layer energy scale relative calibration using photons, and the potential need of an inter-calibration of the photon energy response as a function of the azimuthal angle $phi$. A study of noise performance of the calorimeter in high pile-up conditions is also presented, resulting in recommendations for the LAr pulse sampling configurations for Run2.A search for an additional resonance decaying into two photons is performed, leading to no significant excess being observed. A limit on the fiducial cross section times branching fraction of a new resonance decaying into two photons is therefore computed. The measurement of the production cross section of isolated prompt diphoton in association with jets is performed as a function of the diphoton invariant mass, the transverse momentum of the diphoton system, the azimuthal angle difference of the two photons and the coplanarity angle theta, for jet multiplicity categories and as a function of various jet variables. The results are compared to the latest Next-To-Leading-Order QCD predictions. Such a measurement has not been previously published at the LHC.

La découverte d'une particule cohérent avec la production d'un boson de Higgs du Modèle Standard (MS) en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS a ouverte de nouvelles possibilités de recherche de physique au-delà du MS (BSM). Les recherches de matière noire en ATLAS se concentrent sur des modèles générales, appelées mono-X, qui prédisent la production d'un seul objet X (jet, photon ou des bosons W ou Z) en association à des particules de matière noire (DM). La production de ces états finaux dépend du couplage entre les objets radiés et les particules en collision. Ce fait encourage la recherche des signaux mono-Higgs car le boson de Higgs ne se couple pas directement avec des gluons et ses couplages avec les quarks légères sont très faibles. Par conséquent, le Modèle Standard ne prédit pas une grande contribution à ces états finaux, donc toute déviation observée des prédictions du MS permettrait d'étudier directement le couplage du boson de Higgs à des nouveaux secteurs BSM. Lors de cette thèse, une recherche a été menée sur la production des particules de matière noire en association à un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. En ayant pour but d'augmenter la sensibilité de l'expérience à une possible découverte, des études sur l'effet de diaphonie ont été menées afin d'améliorer l'identification de photons dans ATLAS. Par ailleurs, les particules de matière noire n'interagissent pas avec le détecteur, ce qui impose des signatures avec une grande énergie transverse manquante. Des études sur la performance de la reconstruction de cette énergie transverse manquante ont été mises en place pour des topologies contenant un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. / The discovery of a particle consistent with a Standard Model (SM) Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS collaborations has opened up new possibilities in searches for physics beyond the SM (BSM). Searches for dark matter in ATLAS focus on a special case of general models called, mono-X, that predict a single object X (jet, photon, W or Z bosons) produced in association to dark matter (DM) particles. The production of these final states depend on the coupling between the radiated object and the colliding particles. This fact motivates the search of mono-Higgs signals since Higgs does not couple to gluons and its couplings to light quarks are very weak. Then, the Standard Model does not predict a large contribution to these mono-Higgs final states, thus any deviation from SM predictions is a direct probe of a coupling between the Higgs and a new BSM sector. A search of DM particles produced in association to a Higgs boson decaying into two photons has been carried out in this thesis. Aiming to increase the significance of discovery in this channel, studies on the cross-talk effect has been performed to improve photon identification in ATLAS. Besides, DM particles are not expected to interact within the detector fiducial volume, thus predicted signatures include a large missing transverse momentum. Performance studies of the reconstruction of this missing momentum has been put in place in topologies containing a Higgs boson decaying into two photons.

L'avènement du LHC marque le début d'une ère de haute précision en physique des particules. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons avec des outils innovants deux processus clés des collisionneurs de hadrons: la production inclusive de jets, et la production du boson de Higgs par fusion de bosons vecteurs (VBF). Dans la première partie de cette thèse, nous montrons comment resommer les premiers ordres logarithmiques de rayon de jet R, et appliquons ce formalisme à une étude approfondie du spectre inclusif des jets. Nous étudions les termes dépendant de R au troisième ordre non-nul (next-to-next-to-leading-order, NNLO), et les intégrons dans notre calcul. Nous examinons les éliminations dans la dépendance d'échelle, conduisant à une nouvelle prescription pour l'évaluation des incertitudes, et vérifions l'impact d'effets non-perturbatifs. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les corrections de chromodynamique quantique dans la production de Higgs par VBF. En utilisant l'approche des fonctions de structure, nous calculons les corrections de quatrième ordre non-nul (NNNLO) à la section efficace inclusive. Nous calculons ensuite les corrections NNLO entièrement différentielles à la production de Higgs par VBF. Nous montrons que ces contributions sont significatives après coupures VBF, se trouvant en dehors des bandes d'incertitude d'échelle NLO. / With the advent of the LHC, particle physics has entered an era where high precision is required. In this thesis, we tackle two of the key processes at hadron colliders using innovative tools: inclusive jet production and Higgs production through vector-boson fusion (VBF). In the first part of this thesis, we show how to resum leading logarithmic terms of the jet radius R, and apply this formalism to a detailed study of the inclusive jet spectrum. We study subleading R-dependent terms at next-to-next-to-leading order (NNLO), and incorporate them into our calculation. We investigate cancellations in the scale dependence, leading to new prescriptions for evaluating uncertainties, and examine the impact of non-perturbative effects. In the second part of the thesis, we study QCD corrections in VBF-induced Higgs production. Using the structure function approach, we compute the next-to-next-to-next-to-leading order (NNNLO) corrections to the inclusive cross section. We then calculate the fully differential NNLO corrections to VBF Higgs production. We show that these contributions are substantial after VBF cuts, lying outside the NLO scale uncertainty bands.

Avec la découverte en juillet 2012 par les collaborations CMS et ATLAS d'un nouveau scalaire, aux propriétés similaires à celles d'un boson prédit plus de 50 ans auparavant, la phénoménologie au-delà du modèle standard (SM) a fait un grand pas. En effet, la découverte de cette pièce manquante du puzzle électrofaible a rendu certains modèles impossibles, tout en renforçant la crédibilité du SM. Cependant, on sait que le SM n'est pas le mot de la fin, car certaines de ses prédictions ne s'accordent pas avec les expériences, et ce boson est donc vu comme une porte vers de nouveaux secteurs de la physique. Après une introduction au SM et aux statistiques de la physique des particules, nous présenterons un paramétrage des couplages mesurés au LHC, afin de contraindre, via ces couplages, des modèles de physique au-delà du SM, plus fondamentaux. Ce paramétrage, s'intéressant particulièrement aux couplages à boucles, permettrait de lever une corrélation existant entre les paramètres actuellement utilisés. Nous étudierons ensuite la possibilité d'existence d'un scalaire, plus léger que celui observé, et ayant échappé aux recherches passées, et de sa recherche au LHC à l'aide de ce paramétrage. Nous donnerons des exemples de paramètres faisant apparaître un tel scalaire, dans le 2HDM et le NMSSM. Enfin, nous verrons que le scalaire peut influencer la production d'une paire de bosons de jauge faible, et qu'à l'aide de notre paramétrage, l'analyse de ce processus peut être utilisée de manière cohérente avec les mesures au pic de masse pour contraindre ces couplages. Nous finirons avec quelques limites de cette approche, ainsi que des propositions d'améliorations / With the discovery of a new particle in July 2012 by the CMS and ATLAS experiments, with properties resembling those of a boson predicted about 50 years earlier by theorists, the search for physics outside of the standard model of particle physics (SM) has made a big step. Indeed, the existence of this piece of the electroweak symmetry breaking proved wrong many theories, while giving more credit to the SM. However, because of some observations it fails to match, we know the SM cannot be the final word, and it is hoped that the study of this new particle will be a path to new sectors of physics. After a brief description of the SM and of the statistics of particle physics, we will present a way to parametrise the couplings measured at CERN, in order to constrain, through these couplings, more fundamental models describing physics beyond the standard model. This parametrisation, focusing on loop-induced couplings, would allow to lift a correlation existing between parameters currently used by experimentalists. We will then study the feasibility of a search for another scalar, lighter than the one discovered and which would have escaped previous searches, through the use of the same parametrisation. In two models, the 2HDM and the NSSSM, values of parameters yet unconstrained are shown.Finally, we will see that this scalar can also influence the joint production of two weak gauge bosons. We will show that the analysis of this process can be used in a coherent manner with on-shell Higgs measurements to constrain its couplings through our parametrisation. We will then end with a brief look at some limitation of this approach, before suggesting ways to overcome them