Two precision measurements have been performed using the large number of dileptonand diphoton events produced in pp¯ and pp collisions. A measurement of thedistribution of the kinematic variable φ∗ηin the Drell-Yan process is performed inbins of boson rapidity and invariant mass using 10.4 fb−1 data collected by the D0experiment with a centre-of-mass energy of 1.96 TeV in pp¯ collisions. φ∗η, definedin terms of lepton track directions, is well-measured and is sensitive to higher ordereffects in Quantum chromodynamics (QCD). Data are compared to predictions fromstate-of-the-art QCD Monte Carlo programs and are in good agreement. Measurementsof the production of prompt photon pairs are performed using 20.24 fb−1 datacollected by the ATLAS experiment at 8 TeV in pp collisions. QCD Monte Carloprograms including higher order effects are found to describe the data. In addition,a luminosity algorithm that renders its susceptibility to noise and inefficiency of certainmodules in the diamond beam monitor has been proposed and validated usingATLAS simulations.

De nombreux modèles, au delà du modèle standard, prédisent l’existence de résonances se désintégrant en deux photons. La signature expérimentale très spécifique, associée à l’excellente résolution en masse et à la distribution du bruit de fond bien comprise, en font un canal roi pour la recherche de nouvelle physique.Ce document présente la recherche de nouvelles particules se désintégrant en une paire de photons effectuée auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN avec le détecteur ATLAS. L’ensemble des données de collisions de protons, accumulées en 2015 et 2016, à l’énergie dans le centre de masse de 13 TeV, correspond à 37 fb-1.J’ai développé la méthode et la procédure pour décrire un éventuel signal, en simulant des résonances de masses et largeurs variables. Avec ce modèle j’ai pu calculer l’efficacité de sélection et donner une interprétation statistique des résultats. Cette analyse a permis de montrer que les données collectées sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Des limites sur la section efficace de production couplée au rapport d’embranchement en deux photons, en fonction de la masse et de la largeur de la résonance considérée sont présentées.Le calorimètre électromagnétique de ATLAS joue un rôle clé pour cette analysis di-photon. L’excellente résolution en énergie permet de reconstruire électrons et photons avec une précision de l’ordre de 1% aux énergies considérées. J’ai pris part au fonctionnement du calorimètre lors du démarrage du run-2 et décris ici mes contributions.Finalement, un des points clé pour la mesure de la masse du boson de Higgs est la qualité de la calibration de l’énergie des photons. J’ai développé une approche qui permet de prendre en compte l’impact du développement latéral des gerbes électromagnétiques sur la reconstruction de l’énergie. Cette méthode permettra de réduire l’erreur systématique sur la mesure de la masse du boson de Higgs, mesurée par son mode de désintégration en deux photons. / New high-mass states decaying into two photons are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). The diphoton final state provides a clean experimental signature with excellent invariant mass resolution and well-known smooth backgrounds.This document presents a search for new particles with diphoton final state at the Large Hadron Collider with the ATLAS detector. The pp collision data used were collected during 2015 and 2016 runs with a center-of-mass energy of 13 TeV. The total corresponding luminosity is ~37 fb-1.In this thesis, I show my contribution to the search of scalar particle. The studies of signal modeling for different mass and width hypothesis will be described in details. The estimation of selection efficiencies and statistical interpretations of results are performed.The data are consistent with the Standard Model background-only hypothesis. Limits on the production cross section times branching ratio to two photons of such resonances as a function of the resonance mass and width are presented.The Liquid Argon electromagnetic calorimeter plays a crucial role in the diphoton analysis. The excellent energy resolution allows to reconstruct objects with high precision. The contribution to operation of LAr calorimeter and its online software will be discussed.The calibration of the electron and photon energy measurements with the electromagnetic calorimeter is performed. The systematic uncertainties related to energy response are one of the largest contribution limiting the precision measurements of the Standard Model Higgs boson mass. The approach to improve the energy response taking into account lateral shower shape development is applied in the calibration procedure.

This dissertation presents the results of a search for supersymmetry in protonantiproton collisions with a center of mass energy of 1.96 TeV studied with the Collider Detector at Fermilab. Our strategy is to select collisions with two photons in the nal state that have the properties of being the decays of very massive supersymmetric particles. This includes looking for large total energy from the decayed particles as well as for the presence of particles that leave the detector without interacting. We nd no events using 2.6 fb-1 of data collected during the 2004-2008 collider run of the Fermilab Tevatron which is consistent with the background estimate of 1.4 +/- 0.4 events. Since there is no evidence of new particles we set cross section limits in a gaugemediated supersymmetry model with e 01 ! eG, where the e 01 and eG are the lightest neutralino and the gravitino (the lightest supersymmetric particle), respectively. We set limits on models as a function of the e 01 mass and lifetime, producing the world's most sensitive search for e 01by excluding masses up to 149 GeV=c2 for e 01 lifetimes much less than 1 ns.

A search for diphoton events with large missing transverse energy is conducted using 3.1 pb^{-1} of integrated luminosity of proton-proton collisions at center of mass energy \sqrt{s}=7 TeV. The data were collected with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider during the period from March 30, 2010 until August 30, 2010. No excess of such events is observed above the Standard Model background prediction. This result is interpreted in the context of a gravity mediated One Universal Extra Dimension model with \Lambda R=20, N=6 and M_{D}=5 TeV, where \Lambda is the cutoff scale, N is the number of large extra dimensions and M_{D} is the Planck scale in the higher dimensional theory. The compactification radius of the Universal Extra Dimension, R, is excluded for values of 1/R < 728 GeV at 95\% CL, providing the most stringent limit on this model at the time of publication.

A search for diphoton events with large missing transverse energy is conducted using 3.1 pb^{-1} of integrated luminosity of proton-proton collisions at center of mass energy \sqrt{s}=7 TeV. The data were collected with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider during the period from March 30, 2010 until August 30, 2010. No excess of such events is observed above the Standard Model background prediction. This result is interpreted in the context of a gravity mediated One Universal Extra Dimension model with \Lambda R=20, N=6 and M_{D}=5 TeV, where \Lambda is the cutoff scale, N is the number of large extra dimensions and M_{D} is the Planck scale in the higher dimensional theory. The compactification radius of the Universal Extra Dimension, R, is excluded for values of 1/R < 728 GeV at 95\% CL, providing the most stringent limit on this model at the time of publication.

Cette thèse décrit les recherches de nouvelles résonances massives se décomposant en une paire d’électronsou une paire de photons dans l’état final. Différents ensembles de données, provenant des collisionsproton-proton à une énergie dans le centre de massesqrt(s) = 13 TeV au Large Hadron Collider (LHC) etenregistrées par l’expérience CMS en 2015 et 2016, ont été analysés. Après un chapitre consacré à ladescription du modèle standard de la physique des particules élémentaires, les motivations pour l’introductionde nouvelles théories qui dépassent le modèle standard sont introduites et certaines classes demodèles sont décrites. Les techniques utilisées pour reconstituer les particules produites dans les collisionssont discutées ensuite, avec un accent particulier sur la reconstruction des électrons et des photons. Deuxanalyses séparées sont présentées.La première est la recherche d’une nouvelle résonance lourde se désintegrant en une paire d’électronsdans l’état final. De telles résonances sont prédites par une variété de modèles tels que les théories degrand unification ou les théories introduisant des dimensions supplémentaires. Leur signature apparaîtraitcomme un excès localisé d’événements dans le spectre de masse invariante des paires électron-positron.La sélection des événements est optimisée pour être très efficace pour les électrons à haute énergie etéviter de perdre des événements de signal potentiels. L’analyse repose sur des échantillons simulés pourl’estimation de la principale source de bruit de fond, qui est le processus Drell-Yan du modèle standard,où un boson Z est produit. Des approches basées sur les données sont poursuivies pour la validation dela simulation du bruit de fond avec des électrons produites dans l’état final et pour la déterminationdu bruit de fond provenant de processus de quantum chromo dynamics. Après avoir inspecté la masseinvariante des paires électron-positron, aucun excès sur la prédiction du modèle standard est observée, etdes limites supérieures à 95% de niveau de confiance sont placées sur le rapport entre la section efficacede production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance et cette même quantitéau pic du boson Z.La deuxième analyse présentée dans cette thèse est la recherche d’une nouvelle résonance lourde se désintegranten une paire de photons dans l’état final, dont l’existence est prédite par des modèles avec dessecteurs de Higgs non minimaux ou par des théories qui postulent l’existence de dimensions spatialessupplémentaires. Leur signature apparaîtrait comme un excès localisé d’événements dans le spectre demasse invariante des paires de photons. La sélection des événements a été optimisée afin d’être très efficacepour les photons à haute énergie et d’éviter la perte de signaux potentiels. L’estimation du bruit de fondest entièrement basée sur les données et réalisée avec un paramétrisation du spectre de masse invarianteobservé. Après l’inspection de la masse invariante des paires de photons, aucun excès par rapport à laprediction du modèle standard n’est observé, et des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sontplacées sur la section efficace de production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance.Les résultats ont également été combinés avec ceux obtenus par les mêmes techniques d’analyse,mais avec des ensembles de données différents. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.

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

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.

Les paramètres du Modèle Standard de la physique des particules ont été vérifiés expérimentalement avec une grande précision. A l'aide du mécanisme de Higgs, ce modèle permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible et prédit l'existence d'une particule reliquat : le boson de Higgs. Cependant, l'incapacité du Modèle Standard à décrire certains phénomènes et le choix ad hoc de plusieurs de ses paramètres semble suggérer qu'il n'est qu'une approximation d'une théorie plus générale. Des modèles au delà du Modèle Standard, comme les 2HDM ou le NMSSM par exemple, remédient à certaines de ses limitations et postulent l'existence de bosons de Higgs additionnels. La première partie de mes travaux porte sur l'étude des désintégrations Z → μ¯μγ, qui sont particulièrement adaptés à la calibration du calorimètre électromagnétique de CMS, étant une des seules sources de vrais photons de haute énergie du Modèle Standard sélectionnables avec une grande pureté. Ces évenements nous ont notamment été utiles pour extraire l'échelle d'énergie des photons pour les données à 7 et 8 TeV. La seconde partie de mon travail traite de la recherche de bosons de Higgs additionnels se désintégrant en une paire de photons, avec une masse invariante inférieure à 125 GeV. De par son état final clair en milieu hadronique et grâce à la très bonne résolution de notre calorimètre électromagnétique, ce canal nous permet de reconstruire une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements diphotons / The parameters of the Standard Model of particle physics have been verified experimentally with a very high accuracy. With the Higgs mechanism, this model explains the origin of the mass of the W and Z bosons, while keeping the photon massless, and thus breaks the gauge symmetry of the electroweak interaction. This mechanism is associated with a particle : the Higgs boson. The inability of this model to describe certain phenomena or the ad hoc choice of some parameters seems to suggest that it is only an approximation of a more general theory. Models beyond the Standard Model, such as 2HDM or NMSSM for example, can compensate some of its limitations and postulate the existence of additional Higgs bosons. Thus, in addition to the study of the photon energy in order to calibrate in situ the CMS electromagnetic calorimeter, my thesis also includes the search for additional Higgs bosons decaying into two photons.The first part of my work focuses on the study of decays Z → μ¯μγ, one of the only sources of real high-energy photons of the Standard Model selectable with a high purity. These events, in spite of their low cross section, are particularly suitable for the calibration of the CMS electromagnetic calorimeter. With these ones, we have extracted the energy scale of photons for 7 and 8 TeV data, have developed a method for measuring the energy resolution of the ECAL and have studied an algorithm designed to reduce the loss of resolution due to the increase of pileup. The second part of my work deals with the search for additional Higgs bosons decaying into a pair of photons with an invariant mass below 125 GeV. Our analysis is based on the Standard Model H → γγ study, which has been essential for the discovery of the new boson at 125 GeV. After the reoptimization of the analysis to improve efficiency on the signal and correctly take into account the Drell-Yan background, which becomes very important near the Z peak, we have been able to extract limits on the cross section of an additional Higgs boson between 90 and 115 GeV