Pourquoi reste-t-il de la matière dans l’univers ? Depuis la découverte de l’anti-matière, miroir de la matière dont nous sommes constitués et s’annihilant de prime abord parfaitement avec cette dernière, ce mystère stimule l’étude des propriétés communes et distinctes entre particules et anti-particules. Dans ce cadre, il a été établi au vu des interactions dites de jauge (en particulier les interactions électrofaibles) que la symétrie intrinsèque entre particules et anti-particules est la combinaison subtile du conjugué de charge (C) et de la parité d’espace (P) : la symétrie CP. Ainsi, un comportement distinct entre matière et anti-matière est caractérisé au niveau fondamental par une violation de CP. D’une part, une telle violation a été mise en évidence expérimentalement dans la désintégration de mesons K et B, où la production de particules dans certains canaux est favorisée. D’autre part, la violation de CP est l’une des conditions requises à la création d’un excès de matière durant l’évolution de l’univers. Dans la présente thèse, nous étudions deux aspects de cette asymétrie entre matière et anti-matière. Tout d’abord, un scénario de création d’un excès de matière dans l’évolution de l’univers basé sur la désintégration de neutrinos lourds est étudié. Les récents résultats expérimentaux sur l’existence d’une masse pour les neutrinos rendent très attractif ce scénario. Bien que le schéma général repose uniquement sur les interactions liées à la masse des particules (secteur scalaire), nous le prolongeons ici dans la perspective plus naturelle de l’unification des interactions de jauge, seule motivation complète à l’inclusion de neutrinos lourds dans le spectre des particules. L’inclusion d’interactions de jauge liées aux neutrinos lourds complète ainsi la description. Les résultats tirés sur les paramètres de masse des neutrinos, grandes inconnues de la physique des particules, s’en voient modifiés de manière importante. Ensuite, la question de l’origine de la violation de CP est posée. En effet, dans la description standard des interactions faibles, la violation de CP est explicite et résulte uniquement de la liberté pour les couplages de masse (couplages de Yukawa) d’être des nombres complexes. Ainsi, aucune compréhension fondamentale sur la différence de comportement entre particules et anti-particules n’est apportée. Nous proposons dans ce sens une source de violation de CP par la compactification d’une théorie de jauge dans un espace de dimensions étendues. A partir de couplages réels, une valeur classique de la composante supplémentaire des bosons de jauge fournit une masse effective complexe aux fermions. Les conditions de l’obtention d’une violation de CP physique sont alors étudiées. Nous identifions la structure minimale pour rendre compte des interactions électrofaibles tout en incluant une source de violation de CP dans ce contexte. L’unification avec les interactions fortes est alors établie dans une structure qui apporte une lumière différente sur les schémas d’unification usuels.

Cette thèse est consacrée à l'analyse, dans le cadre des théories supersymétriques, des phénomènes liés à la présence de dimensions supplémentaires et de secteurs branaires. Nous proposons une extension du MSSM motivé par les théories présentant des dimensions supplémentaires, dans laquelle le secteur de jauge est étendu de manière à former une représentation N = 2 de l'algèbre de supersymétrie. Nous décrivons comment, dans ce modèle, des masses de Dirac apparaissent naturellement pour les jauginos, et calculons les interactions et matrices de masse des nouveaux neutralinos et charginos présents. Puis nous étudions, dans le cadre des théories de supergravité en cinq dimensions, le couplage des champs de gravité aux multiplets chiraux localisés sur les branes. Cette étude conduit à l'introduction d'une nouvelle extension hors couche de masse de la supergravité en cinq dimensions, qui est bien adaptée au couplage des champs chiraux sur les branes au multiplet de supergravité pentadimensionnelle dans le cas d'un superpotentiel quelconque et dans la présence de F-termes différents de zéro. Le mécanisme de Scherk-Schwarz généralisé et le mécanisme de super-Higgs dans cette classe de théories sont également étudiés en détail. Notamment nous décrivons comment les pseudo-Goldstinos apparaissent lorsque la supersymétrie est brisée par des F-termes sur les branes et dans le volume pentadimensionnel par le mécanisme de Scherk-Schwarz. Nous étudions des possibilités d'identification des pseudo-Goldstinos aux neutrinos stériles. Enfin, des propriétés des gravitinos dans les théories à six dimensions sont étudiées.

Grâce à l'exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S'inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d'une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d'exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l'unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l'invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l'ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d'une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux solutions de trou noir dans des théories de gravitation modifiées, inspirées par la Cosmologie ou la Théorie des Cordes. Les théories Einstein-Maxwell-Dilaton (EMD) comprennent des champs scalaires et de jauge additionnels, ainsi qu'un potentiel scalaire de Liouville en exponentielle. Dans les théories Einstein-Gauss-Bonnet, l'espace-temps est étendu à plus de quatre dimensions. Nous commençons par passer en revue et classer les solutions des théories EMD. Dans le cas où l'horizon du trou noir est planaire, l'obtention d'une équation maîtresse constitue l'un des principaux résultats. Elle alors permet d'intégrer totalement le système d'équations, au prix d'une contrainte sur les constantes de couplage, et sinon d'obtenir des solutions particulières. Dans le cas des théories Einstein-Gauss-Bonnet à six dimensions, le tenseur de Weyl de l'horizon intervient dans les équations par l'action de la constante de couplage du terme de Gauss-Bonnet : cela a pour effet de restreindre grandement la topologie de l'horizon, ce qui lève en partie la dégénérescence qui existait en Relativité Générale. Par la suite, nous étudions les propriétés thermodynamiques des trous noirs en Relativité Générale et en théories EMD. Pour ces dernières, nous montrons que des transitions de phases similaires à celles en Relativité Générale existent dans l'ensemble canonique. Plus généralement, ces propriétés dépendent de manière cruciale des constantes de couplage de la théorie. Pour finir, nous donnons une interprétation holographique aux trous noirs des théories EMD, en tant que bonnes approximations à l'Infra-Rouge. Nous calculons également les conductivités en courant continu et alternatif dans le cadre d'une application à la Matière Condensée, et trouvons certaines caractéristiques typiques des métaux étranges.

Dans le contexte de la Physique des Particules, la naturalité du Modèle Standard est une question qui fait débat. En effet, en l'absence de nouveaux phénomènes, le domaine de validité du Modèle Standard doit s'étendre jusqu'à l’échelle de Planck où la gravité quantique joue un rôle important. La différence en énergie entre l’échelle de Planck et l’interaction électrofaible est énorme (17 ordres de grandeur) ce qui est connu sous le nom de problème de la hiérarchie et constitue un problème de naturalité du Modèle Standard de la Physique des Particules. Une solution à ce problème serait l'ajout de dimensions spatiales supplémentaires.Cet ajout de dimensions supplémentaires entraîne l’introduction de nouvelles particules : les excitations du graviton, qui peuvent se désintégrer en 2 photons. La production de gravitons peut donc être observée dans des collisionneurs de hautes énergies notamment au LHC, en analysant les collisions proton-proton donnant un état final en 2 photons.L'analyse en diphoton, avec le détecteur ATLAS, avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, permet d'explorer un intervalle en masse de détection d’environ 500 GeV à 7 TeV où pourraient se révéler des signatures de dimensions spatiales supplémentaire. Le challenge principal de l’analyse est de réaliser une bonne estimation de la composante du Modèle Standard dans les événements diphotons reconstruits par ATLAS. Cette analyse permet alors, en cas de compatibilité des données avec le Modèle Standard, d’améliorer sensiblement les limites d’exclusion sur les paramètres des modèles de dimensions supplémentaires. / In the context of particle physics, the naturalness of the Standard Model is still under discussion. In the absence of any new phenomena, the Standard Model should remain valid up to the Planck energy scale where quantum gravity plays an important role. The difference in energy between the electroweak interaction and the Planck scale is huge (17 orders of magnitude), which is known as the hierarchy problem and constitutes a naturalness issue for the Standard Model.A solution to this problem is the addition of additional space dimensions. This addition of space dimensions leads to the introduction of new particles which are graviton excitations and can decay into two photons. It might be possible toobserve graviton production at high energy colliders, especially at the LHC with the collision of proton-proton and looking at 2 photons in the final state.The diphoton analysis, with the ATLAS detector with an energy in the center of mass of 13 TeV, allows to probe a mass interval from 500 GeV to 7 TeV, where signatures of additional space dimensions, if they exist, can be studied. The main challenge of the analysis is to perform a good estimation of the SM contribution to signal. To perform this, it is necessary to discriminate true photons from misidentified jets or electronic noise. In the case of compatibility between data and the SM, this analysis allows to increase significantly the exclusion limits of the parameters of theadditional space dimensions model.

Face à la nature inconnue de l'énergie noire et de la matière noire, des modèles à champ scalaire léger ont été proposés pour expliquer l'accélération tardive de l'expansion de l'Univers et l'apparente abondance de matière non baryonique dans l'Univers. Dans une première partie, cette thèse confronte de la façon la plus précise possible les données de cosmologie les plus récentes au modèle du Galiléon, une théorie de gravité modifiée possédant des propriétés théoriques particulièrement intéressantes. Des contraintes observationnelles sur les paramètres du modèle sont dérivées en utilisant les dernières mesures liées aux distances cosmologiques et à la croissance des grandes structures de l'Univers. Un bon accord est observé entre les données et les prédictions théoriques, faisant du Galiléon un modèle alternatif compétitif avec celui de la constante cosmologique. Dans une seconde partie, la production de Branons, particules scalaires candidates au statut de matière noire venant d'une théorie de dimensions supplémentaires, est recherchée dans les collisions proton-proton enregistrées en 2012 par l'expérience Compact Muon Solenoid auprès du Grand Collisionneur de Hadrons. Des événements présentant un photon et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés dans les données et comparés aux estimations des bruits de fonds attendus. Aucun excès d'événements n'étant observé, des limites expérimentales sur les paramètres de la théorie du Branon sont calculées. Elles sont les plus contraignantes à ce jour. Cette thèse se conclut par des arguments pour une description unifiée des deux modèles étudiés, dans le cadre des théories de dimensions supplémentaires. / The nature of dark energy and dark matter is still unknown today. Light scalar field models have been proposed to explain the late-time accelerated expansion of the Universe and the apparent abundance of non-baryonic matter. In the first part of this thesis, the Galileon theory, a well-posed modified gravity theory preserving the local gravitation thanks to the Vainshtein screening effect, is accurately tested against recent cosmological data. Observational constraints are derived on the model parameters using cosmological distance and growth rate of structure measurements. A good agreement is observed between data and theory predictions. The Galileon theory appears therefore as a promising alternative to the cosmological constant scenario. In the second part, the dark matter question is explored through an extra-dimension theory containing massive and stable scalar fields called Branons. Branon production is searched for in the proton-proton collisions that were collected by the Compact Muon Solenoid experiment in 2012 at the Large Hadron Collider. Events with a single photon and transverse missing energy are selected in this data set and compared to the Standard Model and instrumental background estimates. No signature of new physics is observed, so experimental limits on the Branon model parameters are derived. This thesis concludes with some ideas to reach an unified description of both models in the frame of extra-dimension theories.

Le sujet de cette thèse est " L'étude dans le canal avec deux leptons de même signe de la physique du top au-delà du Modèle Standard avec le détecteur ATLAS au LHC et l'étude du niveau de déclenchement L1 du calorimètre ". Cette thèse porte sur la recherche de processus de nouvelle physique au LHC faisant jouer au quark top un rôle particulier. Le LHC est un collisionneur de protons, conçu pour un fonctionnement nominal avec une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. Jusqu'à fin 2011 il a fonctionné avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les premières données recueillies (5 fb−1 à 7 TeV) nous ont permis de contraindre certains paramètres de la nouvelle physique recherchée. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Celle-ci est divisée en trois parties. La première décrit rapidement l'accélérateur avant de s'intéresser à l'expérience ATLAS et au fonctionnement de son détecteur. Le bon fonctionnement des cartes de sommation du signal du calorimètre électromagnétique pour le premier niveau de déclenchement des événements a été tout particulièrement étudié. La deuxième partie est une analyse phénoménologique de la physique au-delà du Modèle Standard avec quatre quarks top dans l'état final pour plusieurs modèles théoriques. Cette étude a été effectuée principalement au niveau générateur pour 14 TeV dans le centre de masse mais nous commentons également les perspectives à 7 TeV. Elle peut être appliquée à l'expérience ATLAS comme à l'expérience CMS. La troisième partie est une étude expérimentale, réalisée avec le détecteur ATLAS, recherchant des manifestations d'un modèle de Higgs composite prédisant l'existence de partenaires exotiques au quark top (T5/3) et d'un modèle de théorie effective de production des 4 tops. Une limite sur la masse du partenaire exotique a été obtenue ainsi qu'une limite sur la section efficace des événements exotiques à quatre tops.

Cette thèse s'articule autour de la compréhension du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible dans l'expérience ATLAS au LHC, à travers deux thématiques complémentaires : la recherche du boson de Higgs dans le canal H->gamma gamma et une recherche de dimensions supplémentaires dans le secteur des gluons. Par ailleurs, les tests de l'électronique du calorimètre électromagnétique ont permis de valider la conception des cartes contrôleur et maître SPAC, dont la responsabilité était liée au LPNHE.<br /><br />Pour la recherche du Higgs dans le canal H->gamma gamma, l'utilisation de données de simulation complète du détecteur a permis de calculer de façon précise la résolution en masse du système diphotons. Concernant le bruit de fond de jets, une étude a été faite avec des variables discriminantes afin d'obtenir, pour une efficacité de 80 % d'identification des photons, un pouvoir de réjection des jets de l'ordre de 7000. Grâce aux progrès théoriques récents, le signal et le bruit de fond ont pu être étudiés à un ordre supérieur du développement perturbatif, ce qui augmente les sections efficaces. Le potentiel de découverte profite de cette augmentation des sections efficaces et augmente de 50 % par rapport à la même analyse faite au niveau fondamental (LO). Enfin, une nouvelle analyse utilisant une méthode de maximum de vraisemblance permet d'améliorer de l'ordre de 40 % le potentiel de découverte par rapport à notre propre analyse classique. Finalement, le boson de Higgs peut maintenant être découvert dans ce canal pour une luminosité intégrée de 10 fb^(-1) pour un Higgs à 120 GeV/c^2<br /><br />Par ailleurs, le problème de naturalité de la masse du Higgs peut être résolu par l'introduction de dimensions supplémentaires dans lesquelles les gluons peuvent se propager. Nous avons montré qu'il était possible de découvrir l'existence de dimensions supplémentaires jusqu'à une échelle de compactification de 15 TeV.

Dans cette thèse, je présente mes travaux de recherche réalisés avec les données de collision proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS. Les événements étudiés possèdent un état final avec au moins deux photons et une grande masse invariante du système diphoton. Le lot de données enregistré pendant l'année 2011 dans des collisions avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse proton-proton correspond à une luminosité intégrée d'environ 5 fb-1. Ces données ont été comparées aux prédictions du Modèle Standard de la Physique des Particules. En l'absence de différences significatives, des contraintes ont été imposées sur les paramètres de modèles prévoyant l'existence de dimensions supplémentaires. A titre d'exemple, le premier graviton de Kaluza-Klein du modèle de Randall-Sundrum a été contraint d'être plus massif que 2.23 TeV, améliorant d'environ 1 TeV la contrainte du Tevatron. Les résultats obtenus ont fait l'objet d'une publication de la part de la collaboration ATLAS. En 2012, le LHC a réalisé des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. En outre, la luminosité intégrée a été environ quatre fois supérieure qu'en 2011. Les résultats préliminaires obtenus avec ce lot de données sont présentés dans ce document. La revue interne de ces résultats au sein de la collaboration ATLAS est en cours en vue d'une publication en 2013. La détection et la caractérisation des électrons et des photons reposent essentiellement sur le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS. La procédure qui permet d'évaluer la qualité des mesures de ces particules a été mise en place au début de la prise de données. Ma contribution à son élaboration est décrite dans ce document.

Il y a près de deux décennies, l'utilisation des modèles à dimensions supplémentaires pour résoudre le problème de hiérarchie des théories de jauge a reçu beaucoup d'attention, au travers d'élégantes propositions : des dimensions supplémentaires (DS) étendues et plates - le modèle d'Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali, ou ADD - ainsi que des DS courbées - le modèle de Randall-Sundrum, ou RS. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs modèles inspirés de tels scénarios extra-dimensionnels. Pour commencer, nous introduisons des éléments-clés de la théorie des champs en cinq dimensions, et nous montrons comment de tels scénarios apportent une réponse au problème de hiérarchie. Ensuite, dans une première partie, nous adoptons une approche ``de bas en haut'' et étudions plusieurs modèles contenant des fermions vectoriels (FV), prédits génériquement dans les modèles de DS. Nous montrons qu'en ajoutant des quarks vectoriels (QV) au Modèle Standard (MS), on peut expliquer en même temps les anomalies (i) d'asymétrie avant-arrière des quarks b, mesurée au Large Electron-Positron collider (LEP) et (ii) de section efficace de production de tth mesurée au Large Hadron Collider (LHC). En utilisant des rapports de taux de désintégration du Higgs, nous estimons aussi la sensibilité du LHC amélioré, le LHC à haute luminosité, à la présence de QV. Puis nous considérons un modèle à deux doublets de Higgs (2HDM), accompagné de leptons vectoriels (LV) pour expliquer le mystérieux excès à 750 GeV observé au LHC fin 2015. Dans un modèle similaire, nous expliquons également l'abondance de matière sombre (MS) dans l'Univers, notre candidat pour la MS étant un LV neutre, stabilisé par une symétrie Z2 appropriée. Par la suite, dans une deuxième partie de la thèse, nous nous penchons sur le scénario plus concret des DS courbées dotées d'une symétrie custodiale dans l'espace cinq-dimensionnel, qui protège le modèle vis-à-vis de larges corrections électrofaibles. Dans ce cadre, nous interprétons tout d'abord la bosse à deux bosons observée à 2 TeV au LHC comme une superposition de bosons de jauge de Kaluza-Klein, produits en canal s. Dans un deuxième temps, nous étudions la phénoménologie du secteur scalaire du modèle susdit, qui mêle le Higgs et le radion. En particulier, nous estimons la sensibilité du LHC et d'un futur collisionneur électron-positron (l'International Linear Collider - ILC) à l'existence d'un radion, via la production de celui-ci en association avec un boson Z. / Almost two decades ago, the paradigm of extra-dimensional models addressing the gauge hierarchy problem attracted much attention through the elegant proposals of large, flat extra dimensions (EDs) - the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali or ADD model - and warped EDs - the Randall-Sundrum or RS model. In this thesis, we discuss several models inspired from such extra-dimensional scenarios. We start by introducing some key elements of field theory in five space-time dimensions and showing how such scenarios provide a solution to the hierarchy problem. Afterwards, in a first part of this work, we adopt a bottom-up approach and study several models containing Vector-Like Fermions (VLFs), which are typically predicted in ED frameworks. We show how adding Vector-Like Quarks (VLQs) to the Standard Model (SM) allows one to simultaneously explain the anomalies in the (i) b-quark forward-backward asymmetry measured at the Large Electron-Positron collider (LEP) and (ii) the tth production cross section measured at the Large Hadron Collider (LHC). Using the so-called Higgs decay ratios, we also estimate the sensitivity of the upgraded LHC, the High-Luminosity LHC, to the presence of VLQs. Then, we consider a Two-Higgs Doublet Model (2HDM) extended with Vector-Like Leptons (VLLs) in order to fit the mysterious 750 GeV excess observed at LHC in late 2015. Within a similar model, we also explain the Dark Matter (DM) abundance in the Universe, our DM candidate being a neutral VLL, which is rendered stable by a suitable Z2 symmetry. Later on, in a second part of the thesis, we focus on the more concrete warped ED scenario endowed with a bulk custodial symmetry, which protects the model from large electroweak (EW) corrections. In this framework, we first interpret the 2 TeV diboson bump observed at LHC in 2015 as a superposition of Kaluza-Klein (KK) gauge bosons produced in the s-channel. Afterwards, we study the phenomenology of the mixed Higgs-radion scalar sector of the aforementioned model. In particular, we estimate the sensitivity of the LHC and of a future electron-positron collider (the International Linear Collider - ILC) to the existence of a radion via its production in association with a Z boson.