Th.--Sci. électronique--Toulouse 3, 1977. N°: 772.

Th. 3e cycle--Électronique et radiocommunications--Grenoble--I.N.P.G., 1979. N°: D 77.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 591.

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.

Durant mes trois années de thèse, j'ai été amenée à travailler sur différents aspects de la surveillance des propriétés élastiques de la croûte, à la fois par analyses numériques, mais aussi par des applications d'utilisation du bruit ambiant. Ma thèse s'articule autour de deux parties principales: Les propriétés des ondes de la coda Le libre parcours moyen est un paramètre crucial rencontré continuellement dans les différentes parties de mon travail. Dans cette partie, je présente une nouvelle façon de déterminer ce libre parcours moyen à partir des statistiques de phase. Cette méthode a été testée avec succès dans l'étude d'un volcan situé en Auvergne (France). Je présente ensuite une analyse numérique de la sensibilité que les ondes de la coda manifestent en fonction de la profondeur. Ce travail nous a permis de relier cette sensibilité à la profondeur observée dans les ondes de la coda, à une combinaison de la sensibilité des ondes de volume et de celle des ondes de surface. En effet, cette sensibilité des ondes de volume et de surface dépend directement du temps considéré dans la coda et du libre parcours moyen du milieu étudié. Nous avons été capable de montrer que le changement de vitesse relatif dans la coda était lié à une dépendance en temps. Cette importante observation nous permet de pouvoir établir une distinction entre un changement qui se produit en surface et un changement ayant lieu en profondeur. Localisation des changements dans un milieu diffusif Nous avons développé une méthode d'inversion basée sur des approches probabilistes de la propagation des ondes, afin de pouvoir localiser les changements dans le milieu. Nous avons également étudié la décohérence de la forme d'onde, ce qui constitue un aspect additionnel des techniques de surveillance du bruit sismique, qui traditionnellement sont basés sur l'évaluation du temps de retard dans la coda. Au cours de cette thèse, nous avons affiné notre méthode d'inversion en l'appliquant à trois cas d'études. Dans un premier cas, nous avons étudié les changements ayant eu lieu avant et pendant l'éruption du volcan du Piton de la Fournaise situé sur l'Ile de la Réunion. Le challenge ici est de parvenir à localiser correctement la prochaine éruption. La seconde application a concerné le séisme de Mw7,9 de Wenchuan (Chine), sur lequel nous avons obtenu de nombreuses données. Dans ce cas, nous avons pris en compte l'évolution de la coda au cours du temps et nous avons conjointement inversé les données à différents temps dans la coda pour étudier les changements induits dans la croûte, avant et pendant le séisme. A partir de ces résultats, nous avons pu clairement voir que la décohérence de la forme d'onde et les variations de vitesse n'étaient pas sensibles aux mêmes propriétés physiques. Dans le troisième cas d'étude, nous avons testé la procédure d'inversion avec un noyau 3D pour étudier la fracturation dans un bloc de béton soumis à une contrainte croissante. / During my thesis, I worked on different aspects of monitoring the elastic properties of the crust, with both numerical analysis and applications with ambient noise. The main body of my thesis consists of two main parts: 1. Properties of coda waves A very important parameter that we continuously encounter in the different parts of my thesis work is the scattering mean free path. I present an original way to determine the scattering mean free path from phase statistics that was successfully tested on a volcano in Auvergne. Then I discuss an intensive numerical analysis of the depth sensitivity of coda waves. This work allowed us to relate the depth sensitivity of coda waves to a combination of bulk wave sensitivity and surface wave sensitivity that depends on the time in the coda and on the scattering mean free path of the medium. We were able to show a time dependence of the relative velocity change in the coda that allows us to discriminate a change that occurs at the surface from a change that occurs at depth. 2. Locating changes in multiply scattering media We developed an inversion method based on probabilistic approaches of the wave propagation to locate changes in the medium. As an additional aspect to seismic noise monitoring techniques that are based on the evaluation of time delays in the coda, we also study the waveform decoherence. Within this thesis, we apply and refine the inversion method with three case studies. We study pre-and co-eruptive changes at Piton de la Fournaise volcano in La Réunion Island. The challenge here is to correctly locate forthcoming eruptions. A second data set comes from the Mw7.9 Wenchuan earthquake in China. In this study, we take the time evolution of the coda into account and jointly invert the data at different times in the coda to study changes in the crust during and after the earthquake. From the results, we can clearly see that waveform decoherence and velocity variations are not sensitive to the same physical properties. In the third study, we test the inversion procedure with a 3D sensitivity kernel to study the fracturing of concrete blocks under increased tension.

Dans le cadre de la vérification du Traité d'Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE), la mesure des traces de produits de fission dans l'environnement est fondamentale. Ces mesures sont des indicateurs indéniables du caractère nucléaire d'une explosion. Afin d'améliorer ses capacités de mesures, le CEA/DAM-Ile de France s'est équipé d'un nouveau spectromètre de surface. Ce spectromètre, baptisé GAMMA3, est équipé de trois détecteurs au germanium, de deux détecteurs au silicium (intégrés à une cellule de mesure des gaz, la PIPSBox) et d'un blindage optimisé. Ce blindage permet de diminuer très fortement les interférences dues au flux de muons, neutrons ou photons environnementaux. Le bruit de fond radiologique au sein de l'enceinte de mesure est parmi les plus bas rencontrés dans le domaine. Cet ensemble de détecteurs à hautes résolutions énergétiques permet d'optimiser la mesure d'un échantillon suivant son activité, sa géométrie ou sa nature. En particulier, un gaz noble sera mesuré en coïncidence photon/électron, un échantillon actif sera mesuré en coïncidence photon/photon, et un échantillon faiblement actif sera mesuré avec un fort rendement de détection. En combinant ces deux points, les Activités Minimales Détectables requises pour un laboratoire expert du TICE sont atteintes très rapidement. En particulier, elles sont obtenues en 5h pour le 140-Ba (24 mBq), en 6h30 pour les 131m/133m-Xe (5 mBq) et en 7h15 pour le 133-Xe (5mBq) contre les 6 jours réglementaires. / For the verification of the Comprehensive nuclear Test Ban Treaty (CTBT), the measurement of fission products trace levels in the environment is fundamental. Such measurement is a key indicator of a nuclear explosion. For constant amelioration of these measurements, the CEA/DAM-Ile de France has developed and installed a new dedicated surface spectrometer. Named GAMMA3, it is equipped with three germanium detectors, two silicon detectors (integrated in a dedicated gas cell, the PIPSBox) and includes an optimized shielding.This shielding reduces greatly the interference of environmental photons, muons and neutrons with the detectors. The residual radiological background measured inside the shielding is the community’s lowest for a surface laboratory. This set of high energy resolution detectors allows the operator to optimize a measurement according to the sample geometry, activity or nature. More precisely, a radioactive noble gas can be measured by photon/electron coincidence, an active sample can be measured by photon/photon coincidence, and a low-active sample can be measured in a high-efficiency configuration. Combining optimized shielding and optimized measurement, Minimum Detectable Activities required for CTBT certification are obtained quickly. Specifically, MDA is reached in 5 hours for 140-Ba (24 mBq), in 6h30 hours for 131m/133m-Xe (5 mBq) and in 7h15 for 133-Xe (5 mBq), when CTBT requirement is in 6 days.

Cette thèse s'intéresse au développement des méthodes d'auscultation sismique passive pour l'imagerie et la surveillance des mines profondes. Les résultats marquants sont 1/ la possibilité d'imager en profondeur les structures géologiques d'intérêt et 2/ la possibilité de suivre dans le temps les propriétés mécaniques des roches qui subissent les sollicitation associés à l'exploitation minière. Ce travail ouvre des perspectives quant à l'amélioration de la sécurité dans les mines profondes. / This work focus on using passive noise-based seismic methods to image and monitor the rock mass in underground mines. The main results show that it is possible to gain benefit from the diffuse ambient seismic field in mines to 1/ image the rock mass and 2/ monitor its mechanical property changes over time. This work opens a way to improve safety in deep underground mines.

Le sujet principal de la thèse est sur la recherche de bosons de Higgs de grande massese désintégrant en 4 leptons grâce aux données du Run-2 obtenues par le détecteur ATLASauprès du Large Hadron Collider - LHC. L'analyse correspondante, publiée à la conférenceICHEP de 2016 avec un échantillon de données de 14.8 fb-1 à 13 TeV, est décrite en détail. Etelle a été remise à jour dans cette thèse avec un échantillon de données de 36.1 fb-1 à 13 TeV.Cette recherche de bosons de Higgs de grande masse se fait indépendamment du modèle pourplusieurs largeurs de masse du boson : approximation de largeur de masse étroite où on supposela largeur de masse naturelle du signal incluant un effet d'interférence avec le bruit de fond duModèle Standard. La recherche de signal qui bénéficie le plus de l'ajout de contraintediscriminante est aussi présentée pour l'hypothèse d'un signal de boson scalaire. Cettemodification permet d'améliorer la sensibilité de cette analyse de 25%.Cette thèse présente aussi une amélioration du spectromètre à muons d'Atlas venant du projet deNouvelle Petite Roue - NSW pour New Small Wheel en anglais. En particulier sont décrits lasimulation du bruit de fond de la caverne qui affectera les futurs détecteurs, ainsi que lapréparation et la mise en service des modules Micromegas qui seront produits au CEA-Saclaypour l'expérience Atlas. / The thesis is focused on the heavy Higgs boson search in four lepton decay channelwith Run-2 data from the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The analysis publishedat ICHEP 2016 conference that is based on 14.8 fb-1 of 13 TeV data is described in details, whilethe updated results that include 36.1 fb-1 of 13 TeV data are shown as well. The heavy Higgssearch is carried out in a model independent way and it is covering different signal widthhypotheses: narrow width approximation that assumes the signal natural width to be negligiblecomparing to the detector resolution, and the large width assumption including an effect of theinterference with the Standard Model backgrounds. The search that benefits from additionalkinematic discriminant under the scalar signal assumption is presented as well. Thismodification allows to increase the analysis sensitivity up to 25%.The thesis also discusses an upgrade of the ATLAS Muons Spectrometer, namely the NewSmall Wheel project. In particular, simulation of the cavern background that will affect theupgraded detector and commissioning of the Micromegas modules produced at CEA-Saclay forthe New Small Wheel are described.

Le constat récurrent de dégâts sismiques fortement influencés par les effets de site attire l'attention sur la nécessité d'améliorer les outils permettant leur estimation a priori. Les contraintes budgétaires font cependant du développement de méthodes peu onéreuses un objectif crucial. Les mesures de bruit de fond, méthode géophysique utilisant les vibrations ambiantes, correspondent à ce type de besoin.<br />Le but de cette thèse est de développer et de valider des méthodologies opérationnelles utilisant le bruit de fond pour une prise en compte robuste et satisfaisante des effets de site dans un contexte réglementaire.<br />Cette thèse comprend deux volets principaux :<br />- Tout d'abord le développement d'un protocole sur les méthodes utilisant le bruit de fond, dans le but de qualifier la détermination sur un site de la fréquence fondamentale f0 (mesures "H/V") et de la vitesse moyenne des ondes de cisaillement sur les z 1ers mètres Vsz (mesures en réseau) ;<br />- Puis l'établissement d'une fonction empirique décrivant l'amplification d'un site en fonction des deux seuls paramètres f0 et Vsz. Cette étude est effectuée à partir des données japonaises Kik-net: les paramètres f0 et Vsz ont pu être estimés de façon fiables pour près de 500 sites, de même que leur fonction d'amplification entre les enregistrements en surface et en profondeur. Après correction de l'effet de profondeur et normalisation pour se ramener à une fonction d'amplification par rapport à un rocher affleurant "standard", une analyse statistique permet alors de définir la fonction cherchée, qui s'avère sensiblement meilleure que les coefficients de site proposés dans les règlementations actuelles type EC8.

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. / The subject of this thesis is the search for the Standard Model Higgs boson through its decay into four leptons with the ATLAS experiment at CERN. The theory postulating the Higgs boson is presented and the constraints of the theory and direct and indirect searches are quoted. The ATLAS experiment and its components are described and the Detector Control System for the operation and monitoring of the power supplies of the Monitored Drift Tubes is detailed. The electron and muon reconstruction and identification are summarized. Studies on the muon fake rates, on the effect of pileup on the isolation of the muons, and on muon efficiencies of the isolation and impact parameter requirements are presented. The analysis of the Higgs decay to four leptons is detailed with emphasis on the background estimation, the methods employed and the control regions used. The results of the search using the 2011 √s= 7TeV data are presented which have led to hints for the observation of the Higgs boson. The optimization performed for the search of a low mass Higgs boson is described and the effect on the 2011 data are shown. The analysis is performed for the 2012 √s = 8TeV data collected up to July and the results are presented, including the combination with the 2011 data. These latest results have led to the observation of a new particle consistent with the Standard Model Higgs. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αναζήτηση για το μποζόνιο Higgsτου Καθιερωμένου Προτύπου μέσω της διάσπασης του σε τέσσερα λεπτόνια, με το πείραμα ATLAS στο CERN. Παρουσιάζεται η θεωρία που προβλέπει το μποζόνιο Higgs και παρατίθενται οι περιορισμοί της θεωρίας και των άμεσων και έμμεσων αναζητήσεων του μποζονίου. Περιγράφονται το πείραμα ATLAS και τα επιμέρους στοιχεία του καθώς επίσης και το Σύστημα Ελέγχου Ανιχνευτή για τη λειτουργία και την παρακολούθηση του συστήματος τροφοδοσίας τάσης για τους Θαλάμους Ολίσθισης. Η ανακατασκευή και ταυτοποίηση των ηλεκτρονίων και των μιονίων συνοψίζονται. Παρουσιάζονται μελέτες για το ποσοστό των μιονίων που προέρχονται από διασπάσεις άλλων σωματιδίων, για την επίδραση των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων σε κάθε σύγκρουση στην απομόνωση των μιονίων, καθώς και για την αποτελεσματικότητα των κριτηρίων επιλογής σχετικά με την απομόνωση και την παράμετρο κρούσης των μιονίων. Η ανάλυση της διάσπασης του Higgs σε τέσσερα λεπτόνια περιγράφεται λεπτομερώς με έμφαση στην εκτίμηση των διαδικασιών υποβάθρου, στις μέθοδους που εφαρμόζονται και στις περιοχές ελέγχου που χρησιμοποιούνται. Τα αποτελέσματα της αναζήτησης με τη χρήση των δεδομένων του 2011 σε √s = 7 TeV παρουσιάζονται τα οποία οδήγησαν σε υποδείξεις για την παρατήρηση του μποζονίου Higgs. Περιγράφεται η αναθεώρηση των κριτηρίων επιλογής για την αναζήτηση μιας χαμηλής μάζας μποζονίου Higgs και παρατίθεται η επίδραση της στα δεδομένα του 2011. Η ανάλυση διεξάγεται για τα δεδομένα του 2012 σε √s = 8 TeV που συλλέχθηκαν μέχρι τον Ιούλιο και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται, συμπεριλαμβανομένου του συνδυασμού με τα δεδομένα του 2011. Τα τελευταία αποτελέσματα έχουν οδηγήσει στην παρατήρηση ενός νέου σωματιδίου συμβατό με το μποζόνιο Higgsτου Καθιερωμένου Προτύπου.