This thesis presents an analysis of the central exclusive production (CEP) of χ_c mesons in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV, using data collected with the LHCb detector corresponding to an effective integrated luminosity of 126.3 ± 4.3 pb⁻¹. Candidate χ_c decays are reconstructed in the K⁺K⁻ and π⁺π⁻ final states, where the final state particles have pseudorapidities between 2.5 and 4.5. The products of the cross sections and branching fractions are measured as σ x B(χ_c0 → K⁺K⁻) = 28.0 ± 2.8 ± 13.9 pb, σ x B(χ_c0 → π⁺π⁻) = 20.3 ± 2.4 ± 8.1 pb, σ x B(χ_c2 → K⁺K⁻) < 12.1 pb, σ x B(χ_c2 → π⁺π⁻) < 10.5 pb, where the first uncertainties are statistical and the second systematic, and limits are set at the 95% confidence level. A major source of systematic uncertainty is the determination of the fraction of the selected data which is CEP rather than inelastic backgrounds. Also described is HERSCHEL, a new subdetector installed at LHCb during the first long shutdown of the LHC. This is a system of forward shower counters which will provide CEP analyses with event-by-event rejection of inelastic backgrounds. The pseudorapidity coverage and detection efficiency of HERSCHEL are determined using Monte Carlo simulations. The pseudorapidity coverage extends to |η&| ≥ 10 due to the showering of collision products at the aperture limit. With a photoelectron threshold yield of 0.2 times the yield in the mean minimum bias event, the detection efficiency for single diffractive events is predicted to be 89% in the forward direction and 91% in the backward direction.

La thèse est consacrée à l’étude de la diffraction en utilisant le détecteur ATLAS auprès du LHC. Après Une courte introduction à la physique diffractive incluant la diffraction « dure » et « molle », nous présentons la production diffractive exclusive qui est particulièrement intéressante pour produire des jets et le boson de Higgs. Le mécanisme décrit par le formalisme de Khoze Martin et Ryskin et celui de CHIDe sont décrits en détail. Les sources d’incertitude dans la description théorique sont encore importantes et une nouvelle mesure de la section efficace de production exclusive de jets au LHC permettra de réduire l’incertitude de la production diffractive de boson de Higgs à un facteur 2 à trois. La mesure de la production exclusive de pions pp ! p_+_−p permet de contraindre les modèles de manière plus précise en utilisant les détecteurs ALFA, qui sont utilisés dans l’expérience ATLAS pour la détection de protons diffusés dans les interactions élastiques et diffractives. Les détecteurs AFP décrits dans la dernière partie de la thèse, mesurant les protons dispersés après interaction diffractive sont présentés. Ils permettent d’étendre le programme de physique d’ATLAS, avec en particulier, la production centrale diffractive de boson W, ce qui rend possible une meilleure compréhension de la nature des échanges diffractifs. / The thesis is devoted to the study of diffractive physics with the ATLAS detector at the LHC. After a short introduction to diffractive physics including soft and hard diffraction, we discuss diffractive exclusive production at the LHC whichis particularly interesting for Higgs and jet production. The QCD mechanism described by the Khoze Martin Ryskin and the CHIDe models are elucidated in detail. The uncertainties on these models are still large and a new possible exclusive jetmeasurement at the LHC will allow to reduce the uncertainty on diffarctive Higgs boson production to a factor 2 to 3. An additional measurement of exclusive pion production pp ! p_+_−p allows to constrain further exclusive model relying on theuse of the ALFA stations, which are used in the ATLAS Experiment for detection of protons scattered in elastic and diffractive interactions. In the last part of the thesis, the AFP detectors, aiming at measuring the protons scattered in diffractive interactions, are presented. They allow to extend substantially the ATLAS physics programme. In particular, the study of the central diffractive W boson production process makes possible a better determination of the nature of diffractive exchanges.

The thesis is devoted to the study of diffractive physics with the ATLAS detector at the LHC. After a short introduction to diffractive physics including soft and hard diffraction, we discuss diffractive exclusive production at the LHC whichis particularly interesting for Higgs and jet production. The QCD mechanism described by the Khoze Martin Ryskin and the CHIDe models are elucidated in detail. The uncertainties on these models are still large and a new possible exclusive jetmeasurement at the LHC will allow to reduce the uncertainty on diffarctive Higgs boson production to a factor 2 to 3. An additional measurement of exclusive pion production pp ! p_+_−p allows to constrain further exclusive model relying on theuse of the ALFA stations, which are used in the ATLAS Experiment for detection of protons scattered in elastic and diffractive interactions. In the last part of the thesis, the AFP detectors, aiming at measuring the protons scattered in diffractive interactions, are presented. They allow to extend substantially the ATLAS physics programme. In particular, the study of the central diffractive W boson production process makes possible a better determination of the nature of diffractive exchanges.

Cette thèse présente la première mesure de la section efficace exclusive photon-photon-> di-leptons en collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV dans l'expérience ATLAS au LHC. La mesure est réalisée avec toutes les données accumulées en 2011, pour une luminosité intégrée de 4.6/fb. La première partie de la thèse est dédiée à la description théorique de ce type d'interaction. Le calcul de l'amplitude de la réaction photon-photon-> di-leptons est bien connu dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. Cependant, une complication apparaît au LHC avec la prise en compte des effets de taille finie du proton. Le calcul de cet effet est l'une de mes contributions personnelles. Il a donné lieu à une publication. La section efficace nominale est réduite d'environ 20% du fait de cet effet, ce qui n'est pas négligeable. La seconde partie de la thèse concerne la description des détecteurs de l'expérience ATLAS. J'y décris en particulier le travail que j'ai réalisé sur la simulation de certains de ces détecteurs, en particulier les détecteurs situés dans la ligne de vol des protons, qui permettent la mesure de la trajectoire de ces derniers. Enfin, la dernière partie de la thèse concerne la mesure expérimentale de la section efficace de la réaction photon-photon-> di-leptons en collisions proton-proton, comme mentionnée plus haut. Lorsque la paire de leptons est une paire de muons, on trouve que la section efficace exclusive est égale à 0.628 ± 0.032(stat) ± 0.021(syst) pb, pour le domaine cinématique suivant M(di-muons)>20 GeV, pT(muons)>10 GeV et |muons)<2.4. Lorsque la paire de leptons est une paire électron-positrons, nous avons obtenu une section efficace exclusive égale à 0.428 ± 0.035(stat) ± 0.018(syst) pb, pour M(ee)>24 GeV, pT(e)>12 GeV et |muons (e)|<2.4. De plus, ces mesures confirment que le facteur de réduction par rapport à la prédiction théorique nominale (sans prendre en compte les effets de taille finie du proton) est bien de 20% dans le domaine d'énergie de la mesure. Cette analyse a été publiée par la collaboration ATLAS. Une perspective pour cette mesure est de la réaliser à plus haute énergie avec les nouvelles données accumulées par l'expérience ATLAS à partir de 2015. De plus, une mesure directe de la trajectoire des protons pourrait aider à la sélection exclusive. / This thesis presents a first measurement of the exclusive cross section for the reaction photon-photon-> di-leptons in proton-proton collisions at center of mass energy of 7 TeV in the ATLAS experiment at the LHC. The measurement is realized with all data accumulated during the year 2011 with an integrated luminosity of 4.6/fb. The first part of the thesis is dedicated to the theoretical description of this kind of interactions. The calculus of the amplitude for the reaction photon-photon-> di-leptons is well known in the context of the standard model of particle physics. However, the situation at the LHC is more complex. It requires taking into account the finite size effects of the protons. The understanding of this effect and its evaluation is one of my personal contributions, which has been published. The nominal cross section is then reduced by about 20% following this effect, which is non negligible. The second part of the thesis concerns the description of the detectors of the ATLAS experiment. In particular, I describe the work I have realized on the simulation of some of these devices, mainly the detectors located in the direction of flight of the protons that allows a measurement of the trajectory of the scattered (intact) protons. Finally, the last part of the thesis is devoted to the experimental measurement of the cross section of the reaction photon-photon-> di-leptons in proton-proton collisions, as mentioned above. When the lepton pair is a pair of muons, we find an exclusive cross section of 0.628 ± 0.032(stat) ± 0.021(syst) pb, for the kinematical domain M(di-muons)>20 GeV, pT(muons)>10 GeV and |muons|<2.4. When the lepton pair is a pair of electrons (positrons), we have obtained an exclusive cross section of 0.428 ± 0.035(stat) ± 0.018(syst) pb, for M(ee)>24 GeV, pT(e)>12 GeV et |muons(e)|<2.4. Moreover, these measurements confirm that the reduction (suppression) factor with respect to the nominal theory prediction (without taking into account the finite size effect of the protons) is of the order of 20% in the energy domain of the measurement. A perspective for this work is to make the measurement at larger energy with the new data recorded by the ATLAS experiment since 2015. Moreover, a direct measurement of the trajectory of protons could help for the exclusive selection.