Orientador: Jun Takahashi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T21:22:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Chinellato_DavidDobrigkeit_D.pdf: 12088648 bytes, checksum: c79560f4593e813870fc0e788aadf075 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho, estudamos a produção de hádrons estranhos em colisões próton-próton (pp) a energias de (s)^(1/2)= 7 TeV medidas pelo experimento ALICE no acelerador LHC. São resentadas medidas inéditas das taxas de produção em rapidez central do méson (K) também dos bárions ?,? e O- e suas antipartículas correspondentes. As taxas totais de produção excedem significativamente as previsões de modelos que utilizam a Cromodinâmica Quântica Perturbativa (pQCD). Em particular, comparamos as medidas com previsões do simulador de eventos PYTHIA, onde é observado que as previsões concordam com as medidas apenas para momentos transversais (Pt) acima de 6- 7 GcV / c. Este resultado indica que os processos de primeira ordem não-nula implementados no PYTHIA estão bem ajustados, mas a implementação de um cálculo que descreva os dados em baixo Pt ainda é um problema em aberto. Os resultados aqui apresentados devem contribuir para melhorar o entendimento dos mecanismos de produção de partículas na região de baixo Pt¿ Colisões pp são também utilizadas como referência para colisões nucleares de diferentes multiplicidades no estudo da formação do Quark-Gluon Plasma (QGP). Em particular, o aumento da produção de estranheza é considerado um importante observável do QGP. Neste contexto, estudamos a dependência da produção de partículas estranhas com a multiplicidade de partículas carregadas e comprovamos que não há indício de aumento da produção relativa de estranheza cm eventos pp. Isto é um importante resultado, pois complementa os estudos que consideram a possibilidade de formação de QGP em colisões pp / Abstract: In this work, we study the production of strange hadrons in proton-proton (pp) collisions at energies of (s)^(1/2)= 7 TeV measured by the ALICE experiment at the LHC. We present the first measurements of particle yields at central rapidities for the (K)meson as well as for the ?, ? e O- baryon and their antiparticles. Total particle production rates exceed predictions by models that use Perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD). In particular, we compare our measurements to predictions by the PYTHIA event generator and find that predictions agree with data only at transverse momenta (Pt) higher than 6- 7 GeV / c. This result indicates that the leading order processes implemented in PYTHIA are well adjusted, but the implementation of a calculation that describes the data at low Pt is still an open issue. The results presented here should contribute to improve our understanding of particle production mechanisms at low Pt ¿ Proton-proton collisions are also used as a reference for nuclear collisions of different multiplicities in the study of Quark-Gluon Plasma (QGP) formation. The increase of strangeness production is considered an important observable of the QGP. In this context, we study the dependence of strange particle production with charged particle multiplicity and find that there is no indication of an increase strangeness production rate in pp collisions. This is an important result that contributes to the studies that consider the possibility of QGP formation in pp collisions / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Cette thèse de doctorat a pour cadre l’expérience CMS auprès du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Le LHC, qui a permis la découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs, est destiné à fonctionner pour encore 20 ans, avec une luminosité qui croîtra progressivement pour atteindre d’ici 2025 la valeur de 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, c'est à dire environ cinq fois la valeur initialement prévue. Ceci a pour conséquence que les expériences doivent s’adapter et mettre à niveau une série de leurs composants et détecteurs. Une des prochaines mises à niveau de l’expérience CMS concerne les détecteurs Triple Gas Electron Multiplier (GEM) qui sont actuellement en développement pour la partie avant du spectromètre à muons de l’expérience. Ces détecteurs seront installés dans CMS durant le deuxième long arrêt du LHC, en 2018-2019, appelé LS2. Cette mise à niveau a pour but de contrôler les taux de déclenchement d’événements pour la détection de muons, grâce à la haute performance de ces détecteurs Triple GEM en présence de taux de particules extrêmement élevés (>1 kHz/cm^2). De plus, grâce à sa très bonne résolution spatiale (~250 um), la technologie GEM peut améliorer la reconstruction des traces de muons et la capacité d’identification du détecteur avant.Le but de mon travail de recherche est d’estimer la sensitivité des Triple GEMs à l’environnement de radiation hostile dans CMS, essentiellement composé de neutrons et de photons produits lors des interactions entre les particules et les détecteurs constituant l’expérience CMS. L’estimation précise de cette sensitivité est très importante, car une sous-estimation pourrait avoir des effets désastreux pour l’efficacité des Triple GEMs une fois installés dans CMS. Pour valider mes simulations, j’ai également reproduit des résultats expérimentaux obtenus avec d’autres détecteurs similaires déjà installés dans CMS, tels que les Resistive Plate Chambers (RPC).La deuxième partie de mon travail concerne l’étude de la capacité de l’expérience CMS à discerner différents modèles de nouvelle physique prédisant l’existence de bosons vecteurs, appelés Z'. Ces modèles font partie des extensions plausibles du Modèle Standard. En particulier, l’analyse se concentre sur des simulations dans lesquelles le Z' se désintègre en deux muons, et sur l’impact que les mises à niveau avec les détecteurs Triple GEM apporteront à ces mesures tout le long de la phase de haute intensité du LHC. Mes simulations montrent que plus de 20% des événements simulés comptent au moins un muon dans la région en pseudo-rapidité (eta) de CMS couverte par les détecteurs Triple GEM. Les résultats préliminaires démontrent que, dans le case de modèles à 3 TeV/c^2, il sera possible dès la fin de la Phase I de distinguer un Z'I d'un Z'SSM avec un niveau de signification alpha > 3 sigma. / This PhD thesis takes place in the CMS experiment at CERN's Large Hadron Collider (LHC). The LHC allowed the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012, and is designed to run for at least 20 years, with an increasing luminosity that will reach by 2025 a value of 7.5 x 10^34 cm^-2 s^-1, that is a yield five times greater than the one initially intended. As a consequence, the experiments must adapt and upgrade many of their components and particle detectors. One of the foreseen upgrades of the CMS experiment concerns the Triple Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, currently in development for the forward muon spectrometer. These detectors will be installed in CMS during the second long LHC shutdown (LS2), in 2018-2019. The aim of this upgrade is to better control the event trigger rate at Level 1 for muon detection, thanks to the high performance of these Triple GEM detectors, in presence of very high particle rates (>1 kHz/cm^2). Moreover, thanks to its excellent spatial resolution (~250 um), the GEM technology can improve the muon track reconstruction and the identification capability of the forward detector.The goal of my research is to estimate the sensitivity of Triple GEMs to the hostile background radiation in CMS, essentially made of neutron and photons generated by the interaction between the particles and CMS detectors. The accurate evaluation of this sensitivity is very important, as an underestimation could have ruinous effects of the Triple GEMs efficiency, once they are installed in CMS. To validate my simulations, I have reproduced experimental results obtained with similar detectors already installed in CMS, such as the Resistive Plate Chambers (RPC).The second part of my work regards the study of the CMS experiment capability to discriminate between different models of new physics predicting the existence of neutral vector bosons called Z'. These models belong to plausible extensions of the Standard Model. In particular, the analysis is focused on simulated samples in which the Z' decays in two muons, and on the impact that the Triple GEM detectors upgrades will bring to these measurements during the high luminosity phase of the LHC, called Phase II. My simulations prove that more than 20% of the simulated events see at least one muon in the CMS pseudo-rapidity (eta) region covered by Triple GEM detectors. Preliminary results show that, in the case of 3 TeV/c^2 models, it will be possible already at the end of Phase I to discriminate a Z'I from a Z'SSM with a significance level alpha > 3 sigma. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous abordons le problème de la recherche indépendante du modèle pour la Nouvelle Physique (NP), au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en utilisant le détecteur ATLAS. Une attention particulière est accordée au développement et à la mise à l'essai de nouvelles techniques d'apprentissage automatique à cette fin. Le présent ouvrage présente trois résultats principaux. Tout d'abord, nous avons mis en place un système de surveillance automatique des signatures génériques au sein de TADA, un outil logiciel d'ATLAS. Nous avons exploré plus de 30 signatures au cours de la période de collecte des données de 2017 et aucune anomalie particulière n'a été observée par rapport aux simulations des processus du modèle standard. Deuxièmement, nous proposons une méthode collective de détection des anomalies pour les recherches de NP indépendantes du modèle au LHC. Nous proposons l'approche paramétrique qui utilise un algorithme d'apprentissage semi-supervisé. Cette approche utilise une probabilité pénalisée et est capable d'effectuer simultanément une sélection appropriée des variables et de détecter un comportement anormal collectif possible dans les données par rapport à un échantillon de fond donné. Troisièmement, nous présentons des études préliminaires sur la modélisation du bruit de fond et la détection de signaux génériques dans des spectres de masse invariants à l'aide de processus gaussiens (GPs) sans information préalable moyenne. Deux méthodes ont été testées dans deux ensembles de données : une procédure en deux étapes dans un ensemble de données tiré des simulations du modèle standard utilisé pour ATLAS General Search, dans le canal contenant deux jets à l'état final, et une procédure en trois étapes dans un ensemble de données simulées pour le signal (Z′) et le fond (modèle standard) dans la recherche de résonances dans le cas du spectre de masse invariant de paire supérieure. Notre étude est une première étape vers une méthode qui utilise les GPs comme outil de modélisation qui peut être appliqué à plusieurs signatures dans une configuration plus indépendante du modèle. / We address the problem of model-independent searches for New Physics (NP), at the Large Hadron Collider (LHC) using the ATLAS detector. Particular attention is paid to the development and testing of novel Machine Learning techniques for that purpose. The present work presents three main results. Firstly, we put in place a system for automatic generic signature monitoring within TADA, a software tool from ATLAS. We explored over 30 signatures in the data taking period of 2017 and no particular discrepancy was observed with respect to the Standard Model processes simulations. Secondly, we propose a collective anomaly detection method for model-independent searches for NP at the LHC. We propose the parametric approach that uses a semi-supervised learning algorithm. This approach uses penalized likelihood and is able to simultaneously perform appropriate variable selection and detect possible collective anomalous behavior in data with respect to a given background sample. Thirdly, we present preliminary studies on modeling background and detecting generic signals in invariant mass spectra using Gaussian processes (GPs) with no mean prior information. Two methods were tested in two datasets: a two-step procedure in a dataset taken from Standard Model simulations used for ATLAS General Search, in the channel containing two jets in the final state, and a three-step procedure from a simulated dataset for signal (Z′) and background (Standard Model) in the search for resonances in the top pair invariant mass spectrum case. Our study is a first step towards a method that takes advantage of GPs as a modeling tool that can be applied to several signatures in a more model independent setup.

Dans cette thèse, la mesure des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée. L'objectif de ce travail est l’étude du mode de production associé à une paire de quark top (tṫH). Ce mode représente le seul accès direct au couplage de Yukawa du quark top, un paramètre fondamental du Modèle Standard. Le mode de production tṫH est un processus très rare. Il est de l'ordre de deux ordres de grandeur plus petits que la production principale du boson de Higgs par fusion de gluons. À 13 TeV, le mode de production ttH est environ 4 fois plus grand qu'à 8 TeV. Cette thèse reprend les études réalisées à 8 TeV, où l’échantillon de données ne suffisait pas pour établir une observation de ce mode de production. Bien que le canal en deux photons ne soit pas celui qui présente le plus grand rapport de branchement (seulement 0,2%), il est très prometteur en raison de son excellente résolution en masse (1%). De plus, sa signature est très propre dans le détecteur. Le canal de désintégration en deux photons est particulièrement intéressant puisqu'il s'agit du seul canal permettant l'étude de tous les modes de production : la fusion de gluons, la fusion de bosons vecteurs, les productions associées avec des bosons W ou Z ou avec une paire de quarks top. Le document commence par une introduction théorique du Modèle Standard et la physique du boson de Higgs au LHC, suivie d'une description du détecteur CMS. Pour obtenir une excellente résolution de masse dans le canal de désintégration en deux photons , le calorimètre électromagnétique doit être calibré. Le système de monitorage de la transparence des cristaux du calorimètre électromagnétique de CMS par le système laser joue un rôle important dans la chaîne d'étalonnage et est décrit en détail. Sur le long terme, le système de monitorage laser devra être amélioré car le niveau de rayonnement influence son électronique. Je présente mon travail sur l'amélioration possible du système de monitorage laser, ainsi que l'étude de sa précision possible. L'analyse inclusive H → ᵞᵞ a eu plusieurs itérations pour les conférences en 2016 et 2017. La stratégie pour 2017 est décrite dans ce document. Une classification des événement sert à maximiser la significance du signal et à étudier les modes spécifiques de production du boson de Higgs. Mes contributions à l'analyse H → ᵞᵞ consistent en l'identification du vertex primaire, l'identification du photon et l'étude du mode de production tṫH. Chaque contribution est décrite en détail dans des chapitres dédiés. L'analyse tṫH, H → ᵞᵞ est présentée pour deux itérations en 2016 et 2017, en mettant l'accent sur les améliorations dans l'analyse de 2017. Enfin, les résultats de l'analyse inclusive et tṫH, H → ᵞᵞ, en utilisant l'ensemble complet de données 2016 correspondant à une luminosité intégrée de 35,9 fb-1, sont présentés. / In this thesis, the measurement of the Higgs boson properties in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The focus of this work is the tṫH production mode, as it is the only direct access to the top quark Yukawa coupling, a fundamental parameter of the Standard Model. tṫH is a very rare process, two orders of magnitude smaller than the dominant Higgs boson production by gluon fusion. At 13 TeV, ttH production is about 4 times larger than at 8 TeV. This thesis takes over the studies performed at 8 TeV, where the statistics was not enough for an observation of ttH. Despite a very small branching ratio (only about 0.2%), the two photons decay channel of the Higgs boson is very promising, because of its excellent mass resolution (about 1%). Moreover, its signature in the detector is very clear. The diphoton decay channel is also of particular interest as it is the only channel allowing the study of all production modes: gluon fusion, vector boson fusion, associated productions with a W or a Z bosons, or with a top quark pair.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and Higgs boson physics at LHC, followed by a description of the CMS detector. To achieve an excellent mass resolution in the H → ᵞᵞ channel, the electromagnetic calorimeter has to be calibrated. The laser monitoring system plays an important role in the calibration chain and it is described in details. On the long term, the laser monitoring system will have to be upgraded as level of radiation influences its electronics. I present my work on the possible upgrade of the laser monitoring system, along with the study of its possible precision.H → ᵞᵞ inclusive analysis had several iterations for conferences in 2016 and 2017. The strategy for 2017 is described in this document. An event classification is used to maximize the signal significance and to study specific Higgs boson production modes. My contributions to the H → ᵞᵞ analysis are primary vertex identification, photon identification and the study of the tṫH production mode. Each contribution is described in details in dedicated chapters. The tṫH, H → ᵞᵞ analysis is shown for two iterations in 2016 and 2017, with the emphasis on improvements in 2017 analysis. Finally, the results of the inclusive and tṫH, H → ᵞᵞ analysis, using the full 2016 dataset corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1, are shown.

SuperKEKB est un collisionneur à très haute luminosité construit pour l’expérience Belle II, constitué d’un anneau de basse énergie (LER) transportant des positrons de 4 GeV et d’un anneau de haute énergie (HER) où circulent des électrons de 7 GeV. Sa mise en service -ou commissioning- se déroulera en trois phases : La phase 1, durant laquelle des faisceaux circulent sans être focalisés au point de collision, a pour but de nettoyer la chambre à vide du gaz résiduel. La seconde phase, où le détecteur Belle II sera en partie installé, permettra le réglage du système de focalisation finale des faisceaux, jusqu’à atteindre une luminosité de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. La troisième phase correspondra au démarrage de l’expérience Belle II avec une luminosité visée de 10³⁵ cm⁻² s⁻¹ à 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. Dans ce cadre, ma thèse porte sur la conception et la mise en place d’un système permettant le monitorage rapide de la luminosité, système nécessaire pour pouvoir corriger en temps réel les instabilités des faisceaux et ainsi maintenir une luminosité optimale. Afin d’atteindre la haute précision relative souhaitée, de l’ordre de 10⁻³ en 1 ms, la mesure sera basée sur le taux de comptage des particules issues de la diffusion Bhabha radiative à angle nul, processus bien connu et dont la section efficace est importante. Ces particules seront détectées au moyen d’un capteur en diamant, matériau résistant aux radiations et permettant une acquisition très rapide du signal, situé à l’extérieur de la chambre à vide et en aval du point d’interaction. La première partie de cette thèse est consacrée à la recherche des localisations optimales pour le positionnement des capteurs diamants dans chacun des deux anneaux. Au moyen de simulations détaillées, nous avons étudié la dynamique des particules Bhabha lors de leur transport dans les anneaux ainsi que leur interaction avec la matière de la chambre à vide. Ces études ont permis d’ une part d’ identifier un emplacement à 11.9m dans le LER et un autre à 30 m dans le HER, et d’autre part de redéfinir pour l’une d’ entre elle la géométrie locale du tube à vide. La seconde partie, plus expérimentale, s’articule autour de la première phase du commissioning de SuperKEKB et des mesures réalisées au moyen des capteurs diamants que nous avons installés. Dans un premier temps, une étude détaillée des processus de perte single beam (Bremsstrahlung, effet Touschek, diffusion coulombienne) a été réalisée pour le LER en fonction des paramètres du faisceau et du collisionneur (courant, pression, taille transverse des faisceaux). Dans un deuxième temps les résultats de cette étude ont été comparés aux données que nous avons prises de février à juin 2016. Nous avons pu mettre en évidence un bon accord qualitatif et quantitatif entre nos simulations et nos mesures. Cela nous a permis d’estimer que le niveau de bruit de fond attendu dans le cadre des mesures pour le monitorage de la luminosité sera de plus de deux ordres de grandeurs inférieurs au taux du processus Bhabha radiatif à angle nul. / SuperKEKB is a very high luminosity collider dedicated to the Belle II experiment, it consists of a Low Energy Ring (LER) of 4 GeV positrons and a High Energy Ring (HER) of 7 GeV electrons. The commissioning of this machine is split into three phases: phase 1 (single-beam phase) is dedicated to vacuum scrubbing, where beams circulate without focusing at the collision point. Phase 2, for which the major part of the Belle II detector will be installed, will enable the tuning of the final focus system to achieve a luminosity of 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. During phase 3, Belle II physics runs will start with an aimed luminosity up to 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. In this context, the aim of my thesis is to develop and install a fast luminosity monitoring system, which is required for online correction of beam instabilities and maintenance of optimal luminosity. To reach the aimed relative precision of 10⁻³ in 1 ms, the measurement will be based on the radiative Bhabha process at zero photon scattering angle, whose cross-section is large and well-known. These particles will be detected using diamond sensors, resistant to radiation and enabling very fast signal acquisition, to be placed outside of the beam-pipe and downstream of the interaction point. The first part of this work is dedicated to the investigation of the best locations for the diamond sensor positioning in both rings. Using detailed simulations, we studied the dynamics of Bhabha particles during their tracking in the rings and their interaction with the beam pipe material. This led to the identification of two positions, at 11.9 m in LER and at 30 m in HER, and to considering a new geometry for the vacuum pipe in the LER. The second part is related to the phase 1 of the SuperKEKB commissioning and concerns the measurements performed with the diamond sensors that were installed. Single beam loss processes (Bremsstrahlung, Touschek, beam-gas Coulomb scattering) were studied in detail with respect to the LER beam and ring parameters (current, pressure, transverse beam sizes). The results of this study were then compared to the data collected from February to June 2016. We found good qualitative and quantitative agreement between our simulations and measurements. From this we could estimate that the level of background to be expected during luminosity monitoring will be two orders of magnitude smaller than the rate of the radiative Bhabha scattering signal.

This dissertation presents a search for dark matter particles produced in association with a Z boson in proton-proton collisions. The dataset consists of 139 fb^{-1} of collision events with centre-of-mass energy of 13 TeV, and was collected by the ATLAS detector from 2015-2018 at the Large Hadron Collider. Signal region events are required to contain a Z boson that decays leptonically to either e^+e^- or μ^+μ^-, and a significant amount of missing transverse momentum, which indicates the presence of undetected particles. Two types of dark matter models are studied: (1) simplified models with an s-channel axial-vector or vector mediator that couples to dark matter Dirac fermions, and (2) two-Higgs-doublet models with an additional pseudo-scalar that couples to dark matter Dirac fermions. The main Standard Model background sources are ZZ, WZ, non-resonant l^+l^-, and Z+jets processes, which are estimated using a combination of data and/or simulation. A new reweighting technique is developed for estimating the Z+jets background using γ+jets events in data; the resulting estimate significantly improves on the statistical and systematic errors compared to the estimate obtained from simulation. The observed data in the signal region are compared to Standard Model prediction using a transverse mass discriminant distribution. No significant excess in data is observed for the simplified models and two-Higgs-doublet models studied. A statistical analysis is performed and several exclusion limits are set on the parameters of the dark matter models. Results are compared to direct detection experiments, the CMS experiment, and other ATLAS searches. Prospects and improvements for future iterations of the search are also presented. / Graduate

Le complexe d'accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (le Large Hadron Collider - LHC) sera mis à jour lors du long arrêt de la période LS3 en 2023-2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). La luminosité instantanée sera multipliée par 5 pour atteindre 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, ce qui correspond à environ 200 collisions inélastiques par croisement de paquets comparé aux 50 par croisement au LHC. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d'atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches de nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrée de l’ordre 400 fb⁻¹ par an pendant une dizaine d’années soit 4000 fb⁻¹ escomptées. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l'ensemble de la période du LHC. Le détecteur interne (Inner Detector) ATLAS actuel ne sera pas en mesure de faire face efficacement à l'augmentation du taux d'événements et de la dose de rayonnement. Afin d’obtenir des performances au minimum égales ou supérieures à celles de la phase LHC, et tenant compte d’un environnement plus hostile en termes de radiations et d’empilements d’évènements, il a été décidé d’opérer le remplacement complet du trajectomètre interne ou Inner Tracker (ITk); à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux capteurs pixels planaires fins à bords très minces, basés sur le concept d’utilisation de matrices de diodes à implants dopés n sur un substrat dopé p. Ce choix est motivé par les critères de meilleure performance intrinsèque, de radio-tolérance élevée ainsi qu’un coût de production optimisé pour de grandes surfaces. Dans ce travail, des capteurs de différentes épaisseurs allant de 50 μm à 150 μm dotés de bords actifs et minces ont fait l’objet d’études approfondies notamment lors de leur fonctionnement à haut flux de particules chargées. De nombreuses analyses minutieuses ont été menées pour déterminer leur résolution en position à l’aide d’un télescope de faisceau de haute énergie. Les régions d’impacts sur la zone active des pixels ainsi que sur la région des contours ont été scrutées avant et après leur irradiation. En effet, de nombreux résultats obtenus en faisceau de protons et électrons seront montrés, notamment une étude comparative des différents concepts de matrices de capteurs de pixels planaires lus avec la puce de lecture « FE-I4 » en technologie CMOS 130 nm. Préparant la phase future du LHC, nous montrerons les premiers résultats obtenus avec la nouvelle génération de pixels granulaires. Ces matrices ont été couplées à la nouvelle puce de lecture frontale récemment développée au CERN, utilisant la technologie CMOS 65 nm. Ces capteurs dotés d’ une plus fine granularité de 50×50 μm² , ont un pas optimisé lequel est nécessaire pour maintenir un taux d'occupation aussi bas que possible dans un contexte de multiplicités de particules chargées très élevées. Dans ce travail, une contribution personnelle à l’électronique de lecture sera détaillée, en particulier les études ont été menées sur la puce nommée «Ring-Oscillator» ou moniteur de radiations, développée au laboratoire. On décrira son comportement dynamique en fonction de la température, de la tension nominale et en conditions hautement radiatives (500 MRad). La mise au point d’un nouvel outil de caractérisation de détecteurs pixels a fait l’objet d’un développement important. Grâce à un ensemble basé sur une excitation laser de 1060 nm, il sera possible de disposer d’un système précis et autonome capable de mesurer rapidement les caractéristiques fonctionnelles des matrices de pixels avec une excellente résolution spatiale. Les caractéristiques de cet outil feront l’objet d’une présentation exhaustive. / The Large Hadron Collider (LHC) will go through the accelerator complex upgrade during the LS3 long shutdown in 2023-2025 to move to the High Luminosity phase (HL-LHC). As a result, an instantaneous luminosity will increase sevenfold to 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, corresponding to approximately 200 inelastic collisions per bunch-crossing, whereas the LHC runs resulted in up to 50 collisions per bunch-crossing. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high-precision in studies of Standard Model processes and searches for new physics, about 4000 fb⁻¹ of integrated luminosity be collected, which is of an order of magnitude larger than over the entire LHC period. The present ATLAS Inner Detector (ID) will not be able to efficiently cope with the increased event rate and radiation dose. Due to this fact the complete replacement of the ID is foreseen with fully silicon Inner Tracker (ITk) to provide high tracking performance in harsher environment delivered by the HL-LHC. This thesis is focused on the study of new n+-in-p planar silicon sensors, as a promising option to instrument the ITk pixel layers, considering their radiation hardness and cost-effectiveness. Sensors of different thicknesses ranging from 50 µm to 150 µm of active and slim edge designs have been tested at a high energy particle beam to investigate hit efficiency performance analyzed on the pixel active area and on the edge area before and after irradiation. The test beam results and their comparison for the different designs of the pixel sensors compatible with FE-I4 readout chip are discussed. Also, the first results on test beam characterization of the pixel modules employing a newly developed prototype of readout chip for the ITk, RD53A chip, implemented in 65 nm CMOS technology, were obtained. The sensors with the decreased to 25×100 µm² and 50×50 µm² pixel pitch to maintain the lower level of occupancy at high particle multiplicity were measured. Additionally, the tests of ring oscillators, contained in RD53A chip, which may be used as a monitor of the received radiation dose, were carried out depending on temperature, supplied voltage and irradiation level up to 500 MRad. Finally, the test bench setup for silicon pixel detectors characterization using an infra-red laser has been the subject of an original development in this thesis. The setup was developed in the clean room at Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) and it is capable of rapidly measuring the functional characteristics, providing a flexible charge injection with well-defined hit position to characterize the silicon pixel matrixes. The software to control the setup was created using LabVIEW programming environment. The results of the measurements with the FE-I4 module implemented with openings allowing the laser beam passage on a sensor backside are presented in this thesis.

Cette thèse présente une recherche de la production de paires de bosons de Higgs en utilisant les données des collision proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec les détecteur CMS auprès du LHC du CERN. Les évènements avec les deux boson de Higgs se désintégrant en une paire de quark b et de leptons tau (HH -> bb tau+tau-) sont utilisés pour l’exploration des mécanismes de production résonante et non-résonante.La mesure de la production de HH est expérimentalement difficile à cause de la petite section efficace prévue par le modèle standard de la physique des particules. Sa recherche est néanmoins motivée par les informations qu’elle peut révéler sur la nature de la brisure de la symétrie électrofaible. La production de HH donne accès à l’auto-couplage trilineaire du boson de Higgs et, par conséquent, à la forme du potentiel scalaire. En plus, elle est sensible à la présence de physique au-délà du modèle standard. La présence de nouvelles résonances se désintégrant en HH et de couplages anormales du boson de Higgs sont étudiées dans ce travail.Les leptons tau ont un rôle de premier plan dans cette recherche et un effort important a été consacré à l’amélioration de leur efficacité de sélection par le système de déclenchement de l’expérience CMS. En particulier, le déclenchement de premier niveau (L1) a été amélioré pour faire face aux nouvelles conditions des collisions du Run II du LHC, marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse et de la luminosité instantanée. Ce nouveau système de déclenchement permet de développer un algorithme spécifique pour la reconstruction des leptons tau se désintégrant en hadrons (tauh) et un neutrino.Cet algorithme se fonde une technique avancée de regroupement dynamique de l’énergie et utilise des critères dédiés pour la réjection du bruit de fond. Le développement, l’implementation, et la vérification de son fonctionnement pour le redémarrage du LHC sont présentés ici. La performance de l’algorithme est initialement évaluée grâce à une simulation et puis mesurée avec les données de l’expérience CMS. Son excellente performance est un element essentiel dans la recherche de la production de HH.L’investigation du processus HH -> bb tau+tau- utilise les trois canaux de désintégration du système tau+tau- avec au moins un tauh dans l’état final. La sélections et categorisation des évènements sont conçues pour optimiser la sensibilité de la recherche, et des techniques d’analyse multivariés sont mises en place pour distinguer le signal du bruit de fond.Les résultats sont présentés en utilisant une luminosité intégrée de 35.9 fb-1. Ils sont compatibles, dans les incertitudes expérimentales, avec les prédictions du modèle standard pour les bruits de fond. Des limites supérieures à la production résonante de HH sont évaluées et interprétées dans le contexte du modèle standard supersymmétrique minimal. Les limites supérieures à la production non-résonante permettent de contraindre l’espace des paramètres des couplages anormales du boson de Higgs. Les limites supérieures observées et attendues correspondent respectivement à environ 30 et 25 fois la prédiction du modèle standard. Ils représentent l’un des résultats les plus sensibles à la production de HH atteint jusqu'à présent au LHC.Les perspectives pour l‘observation de la production de HH au LHC sont enfin discutées. Les résultats précédemment obtenus sont extrapolés à une luminosité intégrée de 3000 fb-1 sous des différentes assomptions pour la performance du détecteur et de l’analyse. / This thesis describes a search for Higgs boson pair (HH) production using proton-proton collision data collected at sqrt(s) = 13 TeV with the CMS experiment at the CERN LHC. Events with one Higgs boson decaying into two bottom quarks and the other decaying into two tau leptons (HH -> bb tau+tau-) are explored to investigate both resonant and nonresonant production mechanisms. The measurement of HH production is experimentally challenging because of the tiny cross section predicted by the standard model of particle physics (SM). However, this process can reveal invaluable information on the nature of electroweak symmetry breaking by giving access to the Higgs boson trilinear self-coupling and, consequently, to the shape of the scalar potential itself. Moreover, HH production is sensitive to the presence of physics beyond the SM. Both the presence of new states decaying to HH and of anomalous Higgs boson couplings are investigated in this work.Tau leptons have a key role in this search and considerable effort has been devoted to ensure a high efficiency in their selection by the trigger system of the CMS experiment. In particular, the CMS Level-1 (L1) trigger was upgraded to face the increase in the centre-of-mass energy and instantaneous luminosity conditions expected for the LHC Run II operations. The upgrade opened up the possibility to develop an efficient and dedicated algorithm to reconstruct tau leptons decaying to hadrons (tauh) and a neutrino.The tau algorithm implements a sophisticated dynamic energy clustering technique and dedicated background rejection criteria. Its development, optimisation, implementation, and commissioning for the LHC restart are presented. The algorithm performance is initially demonstrated using a simulation and subsequently measured with the data collected with the CMS experiment. The excellent performance achieved is an essential element of the search for HH production.The investigation of the HH -> bb tau+tau- process explores the three decay modes of the tau+tau- system with at least one tauh object in the final state. A dedicated event selection and categorisation is developed and optimised to enhance the sensitivity, and multivariate techniques are applied for the first time to these final states to separate the signal from the background.Results are derived using an integrated luminosity of 35.9 fb-1. They are found to be consistent, within uncertainties, with the SM background predictions. Upper limits on resonant production are set and interpreted in the context of the minimal supersymmetric standard model. Upper limits on nonresonant production constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed and expected upper limit are about 30 and 25 times the SM prediction, respectively, corresponding to one of the most stringent limits set so far at the LHC.Finally, prospects for future measurements of HH production at the LHC are evaluated by extrapolating the current results to an integrated luminosity of 3000 fb-1 under different detector and analysis performance scenarios.

[pt] Na última década, desde o início do funcionamento do LHC, o Modelo Padrão de física de partículas vem sendo posto à prova com precisão sem precedentes, com enorme êxito. Um de seus experimentos é o LHCb, dedicado à física dos hádrons contendo os quarks beauty e charm. Um dos importantes temas de pesquisa do LHCb é o estudo de efeitos de assimetria partícula-antipartícula em processos de decaimento, devido à chamada violação de Carga-Paridade (CP). A violação de CP é prevista pelo Modelo Padrão e, em decaimentos envolvendo o quark charm, pode ocorrer em certos processos chamados de suprimidos por Cabibbo. No entanto, este efeito é muito pequeno, da ordem de 0.1 porcento. Esta pequenez faz com que o ambiente de decaimentos charmosos seja atraente para busca por física além do Modelo Padrão. O objetivo deste trabalho é o estudo de sensibilidade para violação de CP nos canais D+ -> K- K+π+ e D+ -> π- π+π+: no run II do LHCb. Através de uma representação do espaço de fase desses decaimentos, chamado de Dalitz Plot, e a utilização do método de Mirandizing, que se baseia em procurar significâncias locais na diferença da distribuição de eventos no Dalitz Plot de partícula e antipartícula, pode-se buscar por assimetrias de carga que indicariam efeitos de violação de CP nestes decaimentos. Baseando-se nas estatísticas dos dados tomados entre 2016 e 2018 no LHCb, foram desenvolvidos pseudoexperimentos, via método de Monte Carlo, visando reproduzir a dinâmica dos dados reais, e inserindo pequenos efeitos de violação de CP. Verificamos que há sensibilidade para a violação de CP com efeitos da ordem de 10-3 em algumas situações, que condiz com as expectativas do Modelo Padrão, o que indica a possibilidade de observação de violação de CP nos dados reais do run II. / [en] In the last decade, since the beginning of the operation of the LHC, the Standard Model of particle physics has been tested with unprecedented precision, with enormous success. One of its experiment is LHCb, dedicated to the physics of hadrons containing the beauty and charm quarks. One of the important research topics of the LHCb is the study of the effects of particle-antiparticle asymmetry in decay processes, due to the so-called charge-parity violation (CP). CP violation is predicted by the Standard Model and, in decays involving the charm quark, it can occur in certain processes called Cabibbo-suppressed. However, this effect is very small, of the order of 0.1 percent. This smallness makes the environment of charm decays attractive to search for physics beyond the Standard Model. The aim of this work is the study of sensitivity for CP violation in the channels D+ -> K-K+π+ and D+ -> π-π+π+ in run II of the LHCb. Through the phase space of these decays, called Dalitz Plot, and the use of the Mirandizing method, which is based on looking for local significance in the difference in the distribution of events for particle and antiparticle Dalitz Plots, one can seek for local asymmetries that would indicate effects of CP violation in these decays. Based on the data statistics taken between 2016 and 2018 at the LHCb, pseudo experiments were performed, using the Monte Carlo method, aiming to reproduce the dynamics of real data, and inserting small effects of CP violation. We found that there is sensitivity for CP violation with effects of the order of 10−3 in some situations, which is the expected level predicted by the Standard Model, indicating a possibility for observing CP violation in the real data from run II.

<p>The CERN Large Hadron Collider (LHC) offers a unique opportunity to test the Standard Model of particle physics. The Standard Model predicts the existence of a Higgs boson and provides accurate estimates for the strength of the interactions of the Higgs boson with other particles. After the discovery of the Higgs boson, the measurement of its properties, such as its couplings to other particles, is of paramount importance. </p> <p>The projects described in this thesis explore different aspects of one of such measurements – the search for the Higgs boson decay into a pair of muons (H→<em>μμ</em>), conducted by the CMS experiment at the LHC. This decay plays an important role in elementary particle physics, as it provides a direct way to measure the coupling of the Higgs boson to the muon. The first evidence of the H→<em>μμ</em> decay was reported in 2020 as a result of an elaborate statistical analysis of the dataset collected by the CMS experiment during Run 2 of the LHC (2016–2018). The observed (expected) upper limit on the signal strength modifier for this decay at 95% confidence level was found to be 1.93 (0.81), constituting the most precise measurement to date. </p> <p>The details of this analysis, along with studies to establish possible directions for the development of the next iteration of  the H→<em>μμ</em> analysis using Run 3 data, are discussed in this thesis. In addition, a novel machine learning-based algorithm for the muon high level trigger is presented, which ultimately improves the data-taking efficiency of the CMS experiment, and hence, helps to increase the sensitivity of future H→<em>μμ</em> searches. Finally, projections of the H→<em>μμ</em> search sensitivity to the data-taking conditions at the High-Luminosity Large Hadron Collider are presented, estimating the achievable precision for future measurements of the Higgs boson properties.</p>