Nous étudions dans un premier temps deux théories supersymétriques basées sur la présence de Gauginos de Dirac à travers deux scénarios à la phénoménologie bien distincte. La première, dite de "Fake Split SUSY", se caractérise par un spectre de particules scindé entre une partie à l'échelle électrofaible et l'autre plus lourde. Ces modèles prédisent avec une grande précision la masse du boson de Higgs et sont compatibles avec de nombreux résultats de cosmologie, au prix d'un spectre très peu naturel. La seconde présente un scénario supersymétrique dont l'un des bosons scalaire pourrait être identifié avec la résonance à 750 GeV observée au LHC. Dans un second temps, nous analysons deux comportements non-conventionnels du graviton et de son partenaire supersymétrique, le gravitino. Lorsque la symétrie de Lorentz est brisée par la présence d'un fluide, nous montrons que la pseudo-particule générée par cette brisure, le phonino, devient la composante longitudinale du gravitino et se propage suivant une relation de dispersion non relativiste que nous étudions en détails. Finalement, nous explorons des théories de gravité étendue dans lesquelles, en sus du Lagrangien d'Hilbert-Einstein, nous ajoutons des opérateurs construits à partir de produits de tenseurs de Riemann. En présence d'un fluide, nous prouvons qu'un graviton peut se propager "prestement", une notion reliée celle de vitesse superluminale. / We will first focus on supersymmetric theories with Dirac Gaugino masses. We investigate two advantages of such models. First, the possibility to reconcile the measured Higgs mass with an arbitrary large scale of supersymmetry breaking. Second, we show how the scalar singlet present in such models is a sound candidate for a resonance explaining the 750 GeV diphoton excess observed by the LHC experiments. In a second part, we start by discussing the propagation of a massive spin 3/2 state in a fluid (for instance the gravitino when supergravity is coupled to a background fluid). We show that the degrees of freedom corresponding to different helicities travel with different velocities. We then discuss the separate issue of graviton speed in extended gravity theories where the usual Einstein-Hilbert Lagrangian is supplemented by various higher order terms constructed from Riemann tensors.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04. / This thesis summarizes a search for manifestations of Large Extra Dimensions (LED) using 4.91fb-1 of data collected in 2011 by the Atlas detector at the LHC collider at CERN. In 2011, the LHC has provided proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV. LED can potentially solve the so-called hierarchy problem, i.e. large apparent difference between two fundamental scales of the Standard Model (SM), the electroweak and the Planck scales. In the context of the ADD model (named after the authors N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) of LED, the effects of quantum gravity become much stronger than in the SM; possibly large enough to be observed at the LHC. There are two possibilities of graviton production in proton-proton collisions: direct graviton production and virtual graviton exchange. In this thesis, we present a search for the manifestation of extra dimensions via the effect of virtual graviton exchange on the di-photon final state. The di-photon invariant mass spectrum is studied and found to be in good agreement with SM background expectation. We set limits on the fundamental Planck scale of the ADD model using two different methods: a counting experiment and an analysis of the shape of the di-photon mass spectrum. The counting experiment yields limits between 2.62 and 3.92 TeV at 95% CL, depending on the number of extra dimensions and the theoretical formalism used. The shape analysis yields slightly more stringent limits: the lower limits on the fundamental Planck scale improve by a factor of 1.04.

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.

Le Modèle Standard de la physique des particules explique avec succès les données expérimentales. L'origine de la masse des bosons W et Z est expliquée à l'aide du mécanisme de Higgs qui permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible. Cependant ce mécanisme prédit l'existence d'une particule, appelée le boson de Higgs, qui n'a pas été observée pour l'instant. Cette particule est recherchée au LHC en particulier dans les expériences ATLAS et CMS. Les premiers résultats utilisant les données du LHC permettent d'exclure, avec un niveau de confiance de 95%, un boson de Higgs qui aurait la section efficace du Modèle Standard entre 128 et 600 GeV/c$^2$ et les résultats plus anciens du LEP ont exclu un boson de Higgs plus léger que 114.4 GeV/c$^2$. Dans l'intervalle de masse restant, le canal de désintégration du Higgs en deux photons est le canal idéal pour la recherche du boson de Higgs car, malgré son faible rapport d'embranchement (environ quelques pour mille) et grâce à son état final clair, il permet d'obtenir une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements di-photons. La manière dont un photon est reconstruit dans CMS sera d'abord décrite et la compréhension de cette reconstruction avec les premières données du LHC présentée. Du fait de la faible largeur de la résonance du boson de Higgs à basse masse, un grand intérêt doit être porté à la résolution sur l'énergie des photons. C'est pourquoi, nous étudierons les corrections apportées à cette énergie. Ensuite, comme les pions neutres qui se désintègrent en deux photons sont le principal bruit de fond aux photons dans les données, nous verrons comment utiliser la forme du dépôt d'énergie dans le calorimètre électromagnétique de CMS à l'aide d'un réseau de neurones artificiels pour discriminer ces pions neutres des vrais photons. La chromodynamique quantique est la source d'un large nombre d'événements di-photons qui forment la majorité du bruit de fond à la désintégration du boson de Higgs. La mesure de la section efficace de ces processus et de leur cinématique aide aussi à la compréhension du Modèle Standard. La possibilité d'utiliser le pouvoir discriminant du réseau de neurones pour mesurer le nombre d'événements diphotons dans les données, a été étudiée. Les mésons neutres sont aussi un bruit de fond pour les photons issus de la désintégration du boson de Higgs. L'amélioration de l'identification à l'aide d'une coupure sur la variable de sortie du réseau de neurones a donc été évaluée : la conséquence de cette amélioration en termes de limite sera présentée sur le premier 1.6fb$^1$ des données de 2011 enregistrées par l'expérience CM / The Standard Model of particle physics successfully explains the majority of experimental high energy physics data. The masses of the W and Z, the vector bosons of the electroweak theory, are explained with a spontaneous breaking of the gauge symmetry. This symmetry breaking is performed, using the Higgs mechanism, by introducing a new scalar field, whose quantum, the Higgs boson, is intensively searched at LHC. Theoretical considerations suggest that the mass of the Higgs boson should be lower than 1 TeV/c$^2$ and the fit of precision electroweak measurements constrains the Higgs boson mass to be less than 158 GeV/c$^2$. Direct searches at LEP have excluded the Higgs boson with masses lower than 114.4 GeV/c$^2$, and direct searches at the Tevatron have led to an exclusion of masses between 147 and 180 GeV/c$^2$. The fit of precision electroweak measurements constrains the Higgs boson mass to be less than 158 GeV/c$^2$ (all these limits are at the 95% confidence level). The photon reconstruction in CMS is detailed in this thesisand its understanding with the first LHC data will be shown. Because of the narrow Higgs resonance, a particular attention as to be put on the photon energy resolution. Neutral pions decaying in two photons are the main background to the prompt photons: the possibility of using a neural network based on shower shape in ECAL is studied. These neutral mesons are also one important background to the photons from Higgs boson decay. The improvement of the photon identification, thanks to a cut on the neural network output, is evaluated: the result in term of limits for the first 1.6fb$^1$ of 2011 data is presented

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4≪(≪=e mu) a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> γγ. Un nouvel outil de discrimination γ/πi0 à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des π0 produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus γ+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus γγ+X est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> γγ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H γγ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus γγ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination γ/π0 sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->γγ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé. / The LHC (Large Hadron Collider) provides proton-proton collisions to CERN (European Organization for Nuclear Research) experiments at a 7 TeV center of mass energy since March 2010. The LHC has been designed in particular to allow the Higgs boson searches, particle predicted in the standard model but still not discovered until today, in the whole mass range where it is expected. This thesis is a contribution to the Higgs boson searches in CMS (Compact Muon Solenoid), one of the four big detectors at LHC. The thesis develops several tools which allow to measure the backgrounds and to improve the discovery potential. A new tool for recovery of photons emitted by leptons in the final state H --> ZZ(*) ->4≪(≪=eμ) has been developed in this thesis. This method recovers a variable number of photons per event, performs better than the method previously used in CMS and improves Z^0 and Higgs bosons mass resolution. A 5% gain on the significance to observe a Higgs boson in this channel is reached. The second part of this thesis deals with studies of the backgrounds and the searches for a light Higgs boson (110 < mH < 140 GeV) in the channel H --> γγ. A new tool for γ/πi0 discrimination with a neural network has been developed to reject photons coming from π0 decays, copiously produced in QCD jets. The neural network performance is examined in details. The neural network is then used as "template" variable to measure γ+X process in data with 10 nb−1 of integrated luminosity. The measurement of γγ+X process is also prepared with simulation in the luminosity hypothesis of 10 pb−1. Taking into account higher order kinematic effects is necessary to perform the best prediction of H -> γγ signal and backgrounds. In the thesis this is carried out with a reweighting method, at NNLO for gg -> H γγ process and for the first time at NLO for γγ +X process, in both cases with doubly differential distributions. Reweighting procedure and γ/πi0 neural network are then integrated in the H -> γγ analysis to improve CMS sensitivity in the standard model and beyond, thanks to an effective parameterization developed by phenomenologists we were working with

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4$\ll (\ll= e\ mu)$ a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> $\gamma\gamma$. Un nouvel outil de discrimination $\gamma/\pi^i0$ à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des $\pi^0$ produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus $\gamma$+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus $\gamma\gamma+X$ est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> $\gamma\gamma$ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H $\gamma\gamma$ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus $\gamma\gamma$ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination $\gamma/\pi^0$ sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->$\gamma\gamma$ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04.