En utilisant les outils de Monte Carlo et les données de test en faisceau, la performance d'un détecteur au futur collisionneur linéaire international a été étudiée. La contribution de cette thèse porte sur deux parties; d'une part sur une mesure de précision de la masse du boson Higgs et de la section efficace de la production avec le processus e^+e^- → HZ où le boson Z se désintègre en paire μ^+μ^− et d'autre part sur une analyse des données de test en faisceau de la collaboration CALICE (CAlorimeter for Linear Collider Experiment). Pour un Higgs de 120GeV, nous avons obtenu une précision de 38.4MeV sur la masse de Higgs et de 5% sur la section efficace en choisissant une énergie dans le centre de masse optimale de 230 GeV et avec une luminosité intégrée de 500 fb^-1. Ces résultats sont indépendants d'un modèle de Higgs donné puisque aucune information sur la désintégration du Higgs n'a été utilisée dans l'analyse. Si on suppose que le Higgs est celui du modèle standard ou il se désintègre principalement en particules invisibles, la précision peut être améliorée de façon significative (29MeV pour la masse et 4% pour la section efficace). Pour l'analyse des données de test en faisceau, mon travail concerne deux aspects. Premièrement une vérification sur la qualité des données en temps quasi réel et deuxièmement une mesure précise sur la résolution angulaire d'une gerbe électromagnétique dans le calorimètre prototype utilisé dans le test en faisceau. Le but pour la vérification de la qualité des données est de détecter des problèmes éventuels sur l'ensemble du détecteur y compris l'électronique, le système de haute tension et d'acquisition, et de classer des différentes données pour faciliter les analyses offlines. Pour déterminer la résolution angulaire du calorimètre électromagnétique, nous avons développé un algorithme qui est basée uniquement sur le dépôt d'énergie dans différentes cellules produites par le faisceau d'électrons sans utilisant l'information du détecteur de trace devant le calorimètre. Celle-ci est importante pour pouvoir identifier le composant neutre d'un jet. Nos résultats montrent que la dépendance de la résolution angulaire en énergie du faisceau est similaire à celle de la résolution en énergie et peut être décrite par (74/√(E/GeV)＋ 8.7)mrad.

Cette thèse présente le travail de trois ans effectué dans l'expérience CMS, dans le contexte des premières collisions proton-proton du LHC. L'étude porte en particulier sur la recherche du boson de Higgs. Cette particule, dont l'existence est prévue par le Modèle Standard, n'a encore jamais été observée, mais elle est toujours activement l'objet de recherches auprès de collisionneurs à très hautes énergies. Dans le passé récent, les expériences au LEP et Tevatron ont permis d'exclure l'existence du Higgs dans les domaines de masse < 114 GeV/c2 et [147, 179] GeV/c2, avec un intervalle de confiance de 95%. Au moment où le sujet de cette thèse a été décidé, les domaines de masse très faible et très élevé étaient donc les régions les plus intéressantes. Avec les données de collisions de 2011, je me suis occupé de la question de la stabilité et uniformité de la réponse du calorimètre électromagnétique (ECAL). Des électrons isolés, provenant de la désintégration de boson W en en voie électron-neutrino ont été utilisé pour caractériser la réponse du ECAL (corrections locales d'uniformité, corrections de transparence des cristaux, vieillissement des cellules de lecture). Ceci sert de référence pour l'analyse du Boson du Higgs se désintégrant en deux photons, qui est le canal favori pour des hypothèses de masse faible et qui exige une une résolution en énergie optimale pour mieux profiter de la résonance trés étroite du boson du Higgs pour ces masses. L'analyse de physique effectuée dans cette thèse porte sur la recherche de bosons de Higgs dans l'autre région de masse encore permise par les contraintes expérimentales. En particulier, j'ai étudié le canal de désintégration H > WW > lνqq pour des masses du Higgs mH > 2mW. Ce canal est celui qui offre la plus grande section efficace de production (σ × B) pour le boson de Higgs, même s'il est pénalisé par des bruits de fonds de processus standards importants. Une stratégie d'analyse complète a été définie: j'ai étudié les performances pour la physique de la reconstruction et de l'identification des leptons isolés, fortement contribué à la définition et à la caractérisation du déclenchement (trigger) pour ce canal, et procédé à une analyse détaillée des sources d'incertitudes systématiques affectants l'interprétation statistique des résultats. En absence d'une déviation par rapport à l'attendue des bruits de fonds du modèle standard, des limites supérieures sur la masse du boson de Higgs ont été obtenu, entre 320 et 400 GeV/c2 environ.

L'International Linear Collider (ILC) est un projet de futur collisionneur électron positron opérant à une énergie nominale dans le centre de masse de 500 GeV. Il fera des mesures de précision, par exemple d'un boson de Higgs léger qui pourrait être bientôt découvert au Large Hadron Collider. Les détecteurs de l'ILC prévus à cet effet seront composés de calorimètres à haute granularité.Cette thèse présente l'étude de la réponse d'un calorimètre électromagnétique silicium tungstène hautement granulaire (ECAL SiW) ainsi que l'étude de la production du quark top à l'ILC.Le prototype d'un ECAL SiW développé par la collaboration CALICE a été testé sous faisceaux de particules chargées au FNAL en Mai et Juillet 2008. Après avoir sélectionné des pions chargés négativement et entrant dans le ECAL, sa haute granularité est mise à profit pour introduire une classification en quatre types d'événements, afin de décrire des interactions hadroniques.Des modèles de dimensions supplémentaires expliquent l'anomalie AFBb du LEP par une modification des couplages des quarks de troisième génération au boson Z. Ces effets motivent l'étude de la désintégration semileptonique des paires de quarks top, effectuée ici au moyen d'une simulation complète du détecteur ILD proposé pour l'ILC à une énergie dans le centre de masse de 500GeV pour une luminosité intégrée L = 500 fb-1. Les performances de ce détecteur permettent d'atteindre des efficacités de sélection de plus de 70% avec une pureté meilleure que 95%. Cela se traduit par une précision relative d'environ 1% sur l’asymétrie gauche-droite de la production du quark top ALR ainsi que sur l'asymétrie avant-arrière du quark top AFBt dans le cas où les électrons sont polarisés à 80% et pas les positrons. Les incertitudes relatives sur les couplages gauche et droit du quark top au boson Z peuvent aller jusqu'à 0.9% et 1.5%. / The International Linear Collider (ILC) is a proposed e+e- collider with a center-of-mass energy of 500 GeV or more, aimed at precision measurements, e.g. of a light Higgs boson that could be discovered soon at the Large Hadron Collider. Its detectors foresee the use of fine grained calorimeters to achieve the desired precisions.This thesis presents the study of the response to hadrons of a highly granular silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (SiW ECAL), and the study of top quark pair production at the ILC.The SiW ECAL prototype developed by the CALICE collaboration was tested with beams of charged particles at FNAL in May and July 2008. After selecting single negatively charged pions entering the ECAL, its fine granularity is used to introduce a classification among four types of events, used to describe hadronic interactions.Motivated by extra-dimensional models which may explain the AFBb LEP anomaly by modifying the couplings of third generation quarks to the Z boson, the semileptonic decay of the top quark is studied with a full simulation of the proposed ILD detector for the ILC at center-of-mass energy of 500 GeV and integrated luminosity of 500 fb-1. Detector performances permit to reach efficiencies larger than 70% in finding those events with purity larger than 95%. This translates into a relative accuracy of about 1% on both the left-right asymmetry of top production ALR and the top forward-backward asymmetry AFBt with electrons polarized at 80% and no polarization of the positrons. The relative uncertainties in the left and right couplings of the top quark to the Z boson could be as good as 0.9% and 1.5%.

Cette thèse est faite dans le cadre de l'ILC. La détermination des couplages électrofaible du quark top, est une des tâches à l'ILC. La thèse est consacrée à la mesure de l'asymétrie avant-arrière dans des paires de quark top, à 500 GeV, utilisant deux configurations de polarisation de faisceau, dans la chaîne de désintégration purement hadronique. Le quark top se désintègre à un quark b et un boson W, presque exclusivement. L'état final, qui consiste de six jets, est analysé utilisant la simulation de détecteur complète. Deux jets avec le b-tag la plus haute, sont pris comme des b jets et les quatre jets qui restent, sont utilisés pour reconstruire les Ws. L'identification des quarks top et anti-top est faite en utilisant la charge de vertex du quark b. Les précisions sur la section efficace sont aussi calculées. On trouve que l'ILC sera capable de mesurer les couplages électrofaible du quark top, avec une précision meilleur que 0.5%. Cette thèse inclut aussi une chapitre sur l'optimisation de calorimètre Électromagnétique Si-W du International Large Detector(ILD), un des deux détecteurs à l'ILC. L'ECAL d'ILD, consistera en couches alternatives de Silicium et le Tungstène, où des couches de Silicium sont des couches actives, et le Tungstène est le matériel passif. Les couches de Silicium sont divisées en 'wafer', entourées par des anneaux de protection(guard rings), pour éviter les courants de fuite. L'analyse est concentrée pour optimiser la taille d'anneau de garde. Les résultats montrent que un anneau de protection de taille jusqu'à 2mm, ne dégrades pas la performance d'ECAL gravement. La thèse est divisée en 6 chapitres. Le premier chapitre donne un résumé du Modèle Standard. Le deuxième chapitre est consacré aux aspects théoriques de la physique de quark top à l'ILC. On donne une description détaillée de l'ILD et ses sous-détecteurs dans le 3ème chapitre. Le 4ème chapitre présente les études de l'optimisation de Si-W ECAL. Le 5ème chapitre contient les détails d'analyse de production tt à ILC et la mesure de l'AFBt. Le dernier chapitre contient le résumé des résultats. / This thesis is done in the framework of the ILC. The determination of the electroweak couplings of the top quark, is one of the tasks at the ILC. The thesis is dedicated to the measurement of the Forward-backward asymmetry in top quark pairs, at 500 GeV, using two beam polarization configurations, in the fully hadronic decay channel. The top quark almost exclusively decays to a b quark and a W boson. The 6 jet final state is analyzed using full detector simulation. Two jets with highest b-tag are taken as b jets and the remaining four jets are used to reconstruct the W s. The identification of the top and anti-top quarks is done by using the vertex charge of the b quark. Precisions on the production cross sections are also calculated. This thesis also includes a chapter on the optimization of the Si-W Electromagnetic calorimeter of the International Large Detector (ILD), one of the two detectors at the ILC. The ECAL of ILD, will consist of alternate layers of Silicon and Tungsten, where Silicon layers are active layers, while Tungsten is passive material. The Silicon layers are divided into wafers, surrounded by guard rings, to avoid the leakage currents. The analysis is focused to optimize the guard ring size. The thesis is divided into 6 chapters. The first chapter gives a brief over view of the Standard Model. The second chapter is dedicated to the theoretical aspects of the top quark physics at the ILC. A detailed description of the ILD and its sub-detectors is given in the 3rd chapter. The 4th chapter presents the studies of the optimization of Si-W ECAL guard ring size. The 5th chapter contains the details of analysis of tt production at ILC, and measurement of the AFBt . The last chapter contains the summary of the results.

LHCB est une expérience dédiée à l'étude de la violation CP dans le domaine des mésons B et de leur désintégration rares. Lors du démarrage du LHC, une des premières actions sera de vérifier que l'appareillage a les performances attendues. Cette thèse se place dan sle contexte des premières mesures de l'expérience LHCb pour deux sujets traités : la reconstruction des photons par le calorimètre électromagnétique dans différentes configurations expérimentales et la calibration du calorimètre électromagnétique. Dans ce but une identification des photons `partir de l'ensemble des informations du SPD, PS, ECAL et HCAL est dévellopée basée sur un méthode discriminante de Fisher. Ces photons reconstruits sont utilisés dans la reconstruction des Pi0 dont les spectres mesureront dès le début des prises de données le niveau de calibration du calorimètre. Pour calibrer chaque cellule du calorimètre électromagnétique la contrainte sur la masse des Pi0 reconstruits est utilisée. Une calibration à 1% est possible pour une dé-calibration allant jusqu'à 30% en une dizaine d'heures de prise de données à la luminosité nominale. Deux canaux de physique, ou la calibration du calorimètre et la reconstruction des mésons neutres se désintégrant en paire de photons sont les points clefs sont étudiés. Le canal Bd->J/PsiPi0 mesure de l'angle Beta du triangle CKM, les graphes qui y contribuent peuvent être sensible à de la physique au delà du Modèle Standard. Le canal Bs->J/PSiEta mesure l'angle Chi, domaine spécifique de LHCb. La sensibilité pour a mesure des ces deux angles est estimée.

Une particule compatible avec le boson de Higgs du modèle standard de la physique des particules a été découverte au grand collisionneur de hadrons (LHC) en juillet 2012 par les expériences Atlas et CMS. A ce jour, l'ensemble des mesures des couplages de ce boson de Higgs sont compatibles avec ceux prédits par le modèle standard. Toutefois le modèle standard possède des limitations et d'autres théories, telles la supersymétrie, ont été bâties afin de pallier à ces manques. Certaines de ces théories prédisent en particulier un secteur scalaire enrichi avec la présence de bosons de Higgs additionnels.D'un point de vue expérimental, le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons offre une signature claire et permet d'explorer le secteur de Higgs avec une grande précision. Les travaux présentés dans cette thèse ont été effectués dans le cadre de l'expérience CMS au LHC.La première partie est dédiée à l'étude de la reconstruction expérimentale des photons. Tout d'abord, une méthode de correction en énergie des photons est exposée. Puis des prospectives concernant l'évolution de la qualité de leur reconstruction avec le vieillissement du détecteur sont présentées.La deuxième partie fait l'objet de la recherche d'un second boson de Higgs de basse masse(en dessous de 110 GeV) dans le canal di-photon. Les résultats complets obtenus avec le jeu de données collecté en 2012, ayant fait l'objet d'une publication officielle, sont tout d'abord présentés. Les premiers résultats obtenus avec le jeu de données collecté en 2015 sont enfin introduits / A particle compatible with the Standard Model Higgs boson has been discovered at the Large Hadron Collider (LHC) in July 2012 by Atlas and CMS experiments. All the couplings measurements are so far compatible with those predicted by the Standard Model. However, this model is not able to address several fundamental physics issues and theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry, have been proposed to address these questions. Some of them predict an extended Higgs sector with additional scalar or pseudoscalars at low mass.On the experimental point of view, the diphoton decay channel provides a clear signature and allows us to explore the Higgs sector with high precision.The studies presented in this thesis have been performed using the data collected by CMS at the LHC.The first part of the document is dedicated to photon reconstruction studies. First, a photon energy correction method is presented. Then, photon reconstruction performance is assessed in the context of the Phase I and Phase II detector upgrades, in high luminosity conditions.The second part of the document is dedicated to the search for an additional light Higgs boson (with a mass below 110 GeV) in the diphoton channel. First, the official results corresponding to the full 2012 dataset are exposed. Finally, results corresponding to 2015 data are presented

The top quark has been extensively studied since the Large Hadron Collider (LHC) began operating in 2010. The excellent performance of both the LHC and the Compact Muon Solenoid (CMS) detector has enabled complex analyses of many properties of the top quark. In this thesis inclusive and differential top pair (tt) production cross sections have been measured. Inclusive tt cross sections of 145.6 ± 8.2 (stat.) +38.1/28.3 (syst.) pb and 237.4 ± 1.9 (stat.) +20.4/-16.9 (syst.) pb were measured at 7 TeV and 8 TeV center-of-mass collision energies using luminosities of 1 fb⁻¹ and 19.7 fb⁻¹, respectively. These measurements were performed in the semi-leptonic channel by means of a maximum likelihood t of the lepton's pseudorapidity. The work in this thesis focuses specifically on the muon-plus-jets channel. The methods used for measuring the inclusive cross sections were built upon to measure differential cross sections with respect to event level observables. These observables include the missing transverse energy (Emiss T ) as well as some other kinematic distributions involving the jets, lepton and Emiss T in the decay. These results are unfolded to remove detector and selection effects and have uncertainties in the range of 3% to 15%. A low uncertainty is achieved by normalising the differential cross section using the total cross section. This leads to cancellations of some uncertainties. The results were compared with different Monte Carlo generators and with different input parameters. No significant deviations from predictions of the Standard Model were observed. This thesis also contains test beam results on CMS ECAL Endcap Lead Tungstate (PbWO4) crystals. These crystals had been damaged using various doses of proton irradiation. The damage for some crystals is expected to be roughly equivalent to 300 fb-1 of integrated luminosity at √s = 14 TeV. The energy resolution for these crystals was seen to reduce by close to a factor of 20.

L'International Linear Collider (ILC) est un projet de futur collisionneur électron positron opérant à une énergie nominale dans le centre de masse de 500 GeV. Il fera des mesures de précision, par exemple d'un boson de Higgs léger qui pourrait être bientôt découvert au Large Hadron Collider. Les détecteurs de l'ILC prévus à cet effet seront composés de calorimètres à haute granularité.Cette thèse présente l'étude de la réponse d'un calorimètre électromagnétique silicium tungstène hautement granulaire (ECAL SiW) ainsi que l'étude de la production du quark top à l'ILC.Le prototype d'un ECAL SiW développé par la collaboration CALICE a été testé sous faisceaux de particules chargées au FNAL en Mai et Juillet 2008. Après avoir sélectionné des pions chargés négativement et entrant dans le ECAL, sa haute granularité est mise à profit pour introduire une classification en quatre types d'événements, afin de décrire des interactions hadroniques.Des modèles de dimensions supplémentaires expliquent l'anomalie AFBb du LEP par une modification des couplages des quarks de troisième génération au boson Z. Ces effets motivent l'étude de la désintégration semileptonique des paires de quarks top, effectuée ici au moyen d'une simulation complète du détecteur ILD proposé pour l'ILC à une énergie dans le centre de masse de 500GeV pour une luminosité intégrée L = 500 fb-1. Les performances de ce détecteur permettent d'atteindre des efficacités de sélection de plus de 70% avec une pureté meilleure que 95%. Cela se traduit par une précision relative d'environ 1% sur l'asymétrie gauche-droite de la production du quark top ALR ainsi que sur l'asymétrie avant-arrière du quark top AFBt dans le cas où les électrons sont polarisés à 80% et pas les positrons. Les incertitudes relatives sur les couplages gauche et droit du quark top au boson Z peuvent aller jusqu'à 0.9% et 1.5%.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée / The Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organisation for Nuclear Research) has been in operation since 2009 at the border between France and Switzerland. This particle accelerator has provided a significant quantity of proton-proton collisions, at center of mass energies of 7 TeV (2010 and 2011) and 8 TeV (since April 2012). One of the purposes of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which records and analyses those collisions, is the search for Higgs bosons. In the Standard Model, this particle would be the quantum of the Higgs field, thought to explain the electroweak symmetry-breaking mechanism. One of the most sensitive channels for the search for a light Higgs boson (i.e. for masses between 90 GeV=c2 and 150 GeV=c2) at the LHC is through its decay into two photons. Indeed, the production of two highly energetic and isolated photons in the final state is a clean signal in hadronic collisions, despite the small branching ratio. Moreover, at these masses, the width of the reconstructed invariant mass peak is dominated by the detector resolution. Hence, a precise understanding of the photon object as reconstructed by the experiment is required. The first part of the work presented here is the study of radiative decays Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ these decays are the only Standard Model source of high purity certified photons, for which the transverse momentum of the photon is relatively similar to the one of the photons coming from a Higgs boson decay. The study of these decays enables the determination of the differential photon energy scale in the 7 TeV data. These decays have also been used in the 8 TeV data as a validation tool of photon cluster shape variables in the simulation, and also as a way to determine the electron rejection criteria efficiency. The second part of the work concerns the search for a Higgs boson decaying into two photons. This search is done in several event classes in order to increase the sensitivity of the analysis, the study of the class separation procedure is presented. Finally, a benchmark study for the search for a Higgs boson decaying into two photons via vector-like top-partner decays at 14 TeV has been performed

L'électronique frontale (VFE) traitant les signaux des photodétecteurs du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS a été soumise à un programme étendu de tests pour garantir leur fonctionnalité et fiabilité. Le système de calibration et de caractérisation précise des ~16000 VFE a été développé et utilisé à IPN Lyon pour contrôler leur qualité et mesurer les constantes de calibration qui serviront au démarrage du calorimètre complet. <br />En outre, l'évaluation et l'optimisation précises des performances de l'électronique de lecture ont été obtenues avec des données réelles au cours de tests sur des faisceaux de particules au CERN. <br />Les résultats obtenus sur bancs de tests en laboratoire ou en faisceau confirment l'excellente qualité de la production des cartes électroniques et prouvent que les spécifications du calorimètre ont été atteintes.