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. / The subject of this thesis is the « Study in the two same sign leptons channel of top Beyond Standard Model Physics with the ATLAS detector at the LHC and the study of the L1 Calo Trigger ». The central subject of this thesis is the search for new physics in which the top quark plays a crucial role. The LHC is a proton collider, designed for a nominal operation with 14TeV. in the center of mass. Until december 2011 it worked with an energy of 7 TeV in the center of mass. The first 5 fb−1 of collected data allowed us to constrain some parameters of the new physics processes presented in this thesis. The document is divided into three parts : the first one describes briefly the LHC accelerator before presenting the ATLAS experiment and operation of the detector. The Tower Builder Boards for the electromagnetic level one trigger are especially studied. The second part is a phenomenological analysis of physics beyond the Standard Model with four top quarks in the final state. This analysis is presented for several theoretical models. This study was performed mainly at the generator level for 14 TeV in the center of mass but we also comments on prospects at 7 TeV. It can be applied to both ATLAS and CMS experiments. The third part is an experimental study, performed with the ATLAS detector, searching for two exotic processes with two same signe leptons in the final state (T5/3 and four tops production). A limit on the mass of the top partner T5/3 has been obtained as well as a limit on the cross section of exotic events with four tops.

Sont décrits dans cette HDR, les travaux scientifiques que j'ai réalisés depuis ma thèse, soutenue en 1994. La première partie de ces travaux fut consacrée à la construction et au développement de détecteurs au sein de l'expérience BaBar. La seconde partie, plus longuement développée ici, fut l'étude des processus di-leptoniques e+e- ->l+l- au sein de l'expérience ALEPH à LEP2. Dans l'expérience BaBar, j'ai tout d'abord contribué à l'étude de faisabilité d'un compteur Cerenkov à seuil dédié à l'identification des particules chargées. J'ai ensuite eu la responsabilité de la construction d'une chambre à fils de contrôle du gain installée dans le système de gaz de la chambre à dérive de BaBar. Ces activités incluaient un travail de conception et de simulation de détecteurs ainsi qu'un travail d'analyse de données de tests. J'ai ensuite participé à l'analyse des données de LEP2 par la mesure des sections efficaces et des asymétries avant-arrière des processus di-leptoniques. J'ai effectué l'interprétation de ces mesures dans le cadre de différents scénarios de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, tels que les interactions de contact à quatre fermions, les dimensions supplémentaires ou la production de sneutrinos avec violation de R-parité. J'ai de plus participé à la combinaison des résultats di-leptoniques des quatre expériences LEP. Ces années passées entre construction de détecteurs et analyse de données dans le domaine de la physique électrofaible m'incitent à rejoindre aujourd'hui la thématique des neutrinos. Le projet de recherche que je présente est centré sur cette thématique, notamment sur mon implication future dans le projet Laguna-LBNO. Enfin, je décris aussi dans ce mémoire mes différentes activités de diffusion scientifique, notamment auprès du public scolaire, car, en plus de mon travail de recherche et d'enseignement, c'est un aspect important de mon activité de ces dix dernières années.

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. / In this thesis, I describe my research based on proton-proton collision data collected by the ATLAS detector. The study uses events with at least two photons in the final state and a large invariant mass of the diphoton system. A dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV corresponding to an integrated luminosity of approximately 5 fb-1 has been recorded in 2011. This sample has been compared to the predictions of the Standard Model of Particle Physics. Given the good agreement of the data with these predictions, limits have been set on the parameters of models that postulate extra spatial dimensions. As an example, the lightest Kaluza-Klein graviton in the Randall-Sundrum model has been constrained to be more massive than 2.23 TeV, superseding the Tevatron limits by approximately 1 TeV. These results have been published by the ATLAS collaboration. In 2012, the LHC has delivered proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV. The corresponding integrated luminosity is four times larger than that of the 2011 dataset. Preliminary results based on this dataset are presented in this document. The ATLAS-internal review of these results is ongoing, and a publication is targeted for 2013. The detection and the characterization of electrons and photons are mainly based on the liquid argon calorimeter of the ATLAS detector. A procedure to assess the quality of the measurements of these particles has been established at the beginning of the data taking. My contributions to its development are described in this document.

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. / With the start of the Large Hadron Collider runs, in 2010, particle physicists will be soon able to have a better understanding of the electroweak symmetry breaking. They might also answer to many experimental and theoretical open questions raised by the Standard Model. Surfing on this really favorable situation, we will first present in this thesis a highly modelindependent parametrization in order to characterize the new physics effects on mechanisms of production and decay of the Higgs boson. This original tool will be easily and directly usable in data analysis of CMS and ATLAS, the huge generalist experiments of LHC. It will help indeed to exclude or validate significantly some new theories beyond the Standard Model. In another approach, based on model-building, we considered a scenario of new physics, where the Standard Model fields can propagate in a flat six-dimensional space. The new spatial extra-dimensions will be compactified on a Real Projective Plane. This orbifold is the unique six-dimensional geometry which possesses chiral fermions and a natural Dark Matter candidate. The scalar photon, which is the lightest particle of the first Kaluza-Klein tier, is stabilized by a symmetry relic of the six dimension Lorentz invariance. Using the current constraints from cosmological observations and our first analytical calculation, we derived a characteristic massrange around few hundred GeV for the Kaluza-Klein scalar photon. Therefore the new states of our Universal Extra-Dimension model are light enough to be produced through clear signatures at the Large Hadron Collider. So we used a more sophisticated analysis of particle mass spectrum and couplings, including radiative corrections at one-loop, in order to establish our first predictions and constraints on the expected LHC phenomenology

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AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

Dans la première partie de cette thèse, je présenterai le 5D MSSM qui est un modèle super symétrique avec une dimension supplémentaire. (Five Dimensional Minimal Supersymmetric Standard Model). Apres compactification sur l'orbifold S1/Z2, le calcul des équations du groupe de renormalisation (RGE) à une boucle montre un changement dans l'évolution des paramètres phénoménologiques. Dès que l'énergie E = 1/R est atteinte, les états de Kaluza- Klein interviennent et donnent des contributions importantes. Plusieurs possibilités pour les champs de matière sont discutés : ils peuvent se propager dans le "bulk" ou ils sont localisés sur la "brane". Je présenterai d'une part l'évolution des équations de Yukawa dans le secteur des quarks ainsi que les paramètres de la matrice CKM, d'autre part, les effets de ce modèle sur le secteur des neutrinos notamment les masses, les angles de mélange, les phases de Majorana et de Dirac. Dans la deuxième partie, je parlerai du modèle AMSB et ses extensions (MM-AMSB et HCAMSB). Ces modèles sont des scenarios de brisure assez bien motivés en super symétrie. En calculant des observables issues de la physique des particules puis en imposant des contraintes de cosmologie standard et alternative sur ces scénarios, j'ai déterminé les régions qui respectent les contraintes de la matière noire et les limites de la physique des saveurs. Je reprendrai ensuite l'analyse de ces modèles en utilisant de nouvelles limites pour les observables. La nouvelle analyse est faite en ajoutant les mesures récentes sur la masse du Higgs et les rapports de branchement pour plusieurs canaux de désintégrations / In the first part of this thesis, we review the Universal Extra-Dimensional Model compactified on a S1/Z2 orbifold, and the renormalisation group evolution of quark and lepton masses, mixing angles and phases both in the UED extension of the Standard Model and of the Minimal Supersymmetric Standard Model (the five-dimensional MSSM). We consider two typical scenarios: all matter fields propagating in the bulk, and matter fields constrained on the brane. The two possibilities give rise to quite different behaviours. For the quark sector we study the Yukawa couplings and various flavor observables and for the neutrino sector, we study the evolution of neutrino masses, mixing angles and phases. The analysis is performed in the two cases for different values of tan β and different radii of compactification. The resulting renormalization group evolution equations in these scenarios are compared with the existing results in the literature, together with their implications. In the second part, we present a simulation study about anomaly mediated supersymmetry breaking and its extensions. Anomaly mediation is a popular and well motivated supersymmetry breaking scenario. Different possible detailed realisations of this set-up are studied and actively searched for at colliders. Apart from limits coming from flavour, low energy physics and direct collider searches, these models are usually constrained by the requirement of reproducing the observations on dark matter density in the universe. We reanalyse these bounds and in particular we focus on the dark matter bounds both considering the standard cosmological model and alternative cosmological scenarios. We briefly discuss the implications for phenomenology and in particular at the Large Hadron Collider. After that we update our analysis by using new limits from observables and adding recent Higgs boson measurements for the mass and signal strengths in different decay channels

In this thesis, we study several scenarios which go beyond the Standard Model of particle physics with the aim of gaining a better understanding for the multiplication of fermion families, their masses and mixings pattern and its relation to CP violation. The common feature of the models we envisaged (and the guiding principle of the thesis) is the introduction of extra space dimensions. In a first attempt to explain the fermion mass structure, we elaborate on a model with two extra-dimensions and a Nielsen- Olesen vortex background established on it. In this framework, three families in 4D can be seen as different modes of a single generation in 6D, while their extra-dimensional wavefunctions turn out highly constrained by the dynamics, which allows to determined the mass matrices with few parameters. Moreover, with a few additional hypotheses only, it is possible to simultaneously account for the striking differences between neutrinos and charged fermions. After a summary of the model, we illustrate this with the explicit formulation of a benchmark model which reproduces convincingly all the mass and mixing parameters of the Standard Model, taking advantage of new, more precise numerical solutions of the field equations, and including the recent measurements of the Standard Model scalar boson mass and of the neutrino heta_13 mixing angle (the latter has however been correctly predicted by the model before its first measurement). We then turn to the predictions which mainly concern the neutrino and gauge sectors. In the former, we remind the Majorana nature, and the natural tendency for inverted hierarchy pattern with an almost maximally suppressed neutrinoless double beta decay. On the other hand, we predict new (neutral) gauge bosons whose couplings to fermions are not flavour-diagonal but are however constrained (in their strength and their flavour structure) by the 6D anatomy of the theory. We compare their detectability in precision low energy processes and at colliders (especially at the LHC), and show that in the simplest geometries at least, the bounds from the former exclude interesting phenomenology for the latter. Nevertheless, we turn to more phenomenological effective Lagrangians with the same overall structure and in which we are able to lower the mass scale of the new bosons to a reachable energy, and thus analyse the possible signatures for LHC.In the last part of this work, we turn to the issue of CP violation and show how in certain 6D models with non simply connected topologies, it is possible to generate a non negligible CP violation at the 4D level in a pure gauge approach. We carefully study how the 4D CP symmetry is related to particular transformations of the original 6D theory and subsequently show how an incompatibility of such transformations with the compactification scheme can lead to an effective CP breaking. As a proof of concept, we build a toy model with two extra-dimensions compactified on a flat torus and end in 4D with a light neutral fermion with a non zero electric dipole moment.Dans cette thèse, nous étudions plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard de la physique des particules à la recherche d'une meilleure compréhension de la multiplication des familles de fermions, de leurs masses et de leurs mélanges, ainsi que la relation à laviolation de CP.La caractéristique commune à tous les modèles envisagés (et le concept sous-jacent à toute la thèse) est l'introduction de nouvelles dimensions spatiales. Dans une première tentative pour expliquer le spectre des fermions, nous développons un modèle où une structure de vortex à la Nielsen-Olesen est établie sur deux dimensions supplémentaires. Dans ce cadre, les trois familles à 4D peuvent être vues comme différents modes d'une unique génération à 6D, tandis que leur fonctions d'onde extra-dimensionnelles s'avèrent fortement contraintes par la dynamique ;ceci permet d'établir les matrices de masses en terme d'un petit nombre de paramètres. De plus, grâce à quelques hypothèses additionnelles seulement, il est possible de justifier simultanément les différences marquées entre neutrinos et fermions chargés. Nous synthétisons le modèle et l'illustrons en en formulant une réalisation particulière qui parvient à reproduire de manière convaincante tous les paramètres de masse et de mélange du Modèle Standard. Pour l'occasion, nous exploitons de nouvelles solutions aux équations des champs, numériquement plus précises, et prenons en compte les mesures récentes de la masse du boson scalaire et de l'angle de mélange heta_13 pour les neutrinos (le modèle avait cependant prédit ce dernier avant qu'il ne soit mesuré pour la première fois). Nous nous tournons ensuite vers les prédictions du modèle et qui concernent principalement le secteur des neutrinos et celui des bosons de jauge. Pour le premier, nous rappelons la nature "Majorana" des neutrinos, ainsi que la tendance naturelle à une hiérarchie inverse avec une suppression quasi maximale de la double désintégration bêta sans neutrino. D'autre part, nous prédisons de nouveaux bosons de jauge (neutres) dont les couplages aux fermions ne sont pas diagonaux dans l'espace des saveurs mais sont contraints (autant en terme de valeurs qu'en termes de structure) par l'anatomie de la théorie à 6D. Nous comparons leurs détections potentielles dans les processus de précision à basse énergie et auprès des collisionneurs (en particulier au LHC). Nous montrons que, dans les géométries les plus simples du moins, les limites imposées par les premiers excluent toute phénoménologie intéressante du côté des seconds. Toutefois, en nous tournantvers des Lagrangiens effectifs qui conservent la même structure d'ensemble mais ouvrent à une étude plus phénoménologique, nous sommes capables de réduire l'échelle de masse de ces nouveaux bosons jusqu'à une énergie accessible, et donc d'en analyser de potentielles signatures au LHC.Dans la dernière partie de ce travail, nous nous intéressons à la question de la violation de CP et montrons comment dans certains modèles à 6D avec une topologie non-simplement connexe, il est possible de générer une violation de CP non négligeable à 4D dans une approche de "pure jauge". Nous étudions attentivement comment la symétrie CP à 4D est reliée à des transformations particulières de la théorie originale à 6D, suite à quoi nous montrons comment l'incompatibilité de ces transformations avec la façon dont sont "compactifiées" les dimensions supplémentaires peut conduire à une brisure effective de CP. Pour illustrer la faisabilité de notre approche, nous élaborons un "modèle jouet" où deux dimensions supplémentaires sont compactifiées sur un tore plat, et obtenons à 4D un fermion neutre léger et qui possède un moment électrique dipolaire non nul. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.<p><p>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.<p>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. <p><p>Dans la présente thèse, nous étudions deux aspects de cette asymétrie entre matière et anti-matière.<p>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.<p><p>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.<p>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.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished