Le Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur électron-positon développé pour prendre le relais du Grand Collisionneur de Hadrons LHC. Ce projet permettra d'étudier précisément les caractéristiques du nouveau boson de 125 GeV , découvert en 2012 par les expérience CMS et ATLAS, compatible avec le boson de Higgs du modèle standard. Cette expérience pourrait aussi permettre aux physiciens de mettre à jour des phénomènes physiques inconnus. Pour exploiter au maximum ce nouvel accélérateur, deux collaborations travaillent sur le développement de deux détecteurs : le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur au Silicium SiD. Ces détecteurs sont dits généralistes et sont optimisés pour la mise en oeuvre de technique de suivi des particules. Ils sont constitués d'un trajectographe dans leur partie centrale et de systèmes de calorimétrie. L'ensemble est inséré dans un aimant supraconducteur, lui même entouré d'une culasse instrumentée avec des chambres à muon. Le groupe lyonnais dans lequel j'ai effectué mes travaux de recherche pendant mon doctorat, a grandement participé au développement du calorimètre hadronique à lecture semi-digitale. Ce calorimètre ultra-granulaire fait partie des options pour le calorimètre hadronique du Grand Détecteur International. Un prototype a été construit en 2011. D'environ 1 m3, il est constitué de 48 chambres à plaque résistive de verre, comporte plus de 440000 canaux de lecture de 1 cm2 et pèse environ 10 tonnes. Ce calorimètre répond aux contraintes imposées pour le Collisionneur Linaire International (une haute granularité, une consommation électrique faible, une alimentation pulsée etc) et est régulièrement testé sur des lignes de faisceau au CERN. Les données ainsi collectées m'ont permis d'étudier en détail le phénomène de gerbe hadronique. De nombreux efforts ont été réalisé pour développer des méthodes efficace de reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques et pour améliorer la résolution en énergie du prototype SDHCAL. La simulation des gerbes hadroniques dans le SDHCAL constitue une part importante de mes travaux de recherche. Une simulation réaliste des chambres à plaque résistive de verre a été développée en étudiant la réponse du prototype au passage de muons et de gerbes électromagnétiques. J'ai alors confronté les modèles de simulation des gerbes hadroniques avec des données expérimentales. La granularité du SDHCAL rend aussi possible des études fines sur la topologie des gerbes hadroniques, notamment sur leur extension latéraleet longitudinale. J'ai finalement pu étudier, en m'appuyant sur mes travaux de simulations, la reconstruction de la masse des bosons W et Z dans une simulation complète du Grand Détecteur International. Cette étude permet d'estimer les performances de l'ILD avec le SDHCAL et les techniques de suivi des particules / The International Linear Collider ILC is an electron-positron collider project proposed to become the next particle collider after the Large Hadron Collider LHC. This collider will allow to study, in details, the new 125 GeV boson, discovered in 2012 by CMS and ATLAS experiments. This new particle seems compatible with the standard model Higgs boson. The International Collider may also allow physicists to discover new physics. In order to operate this new collider, two collaborations are developing two detectors : the International Large Detector ILD and the Silicon Detector SiD. These general-purpose detectors are optimised for particle flow algorithms. The team from Lyon in which I worked during my Ph.D., has widely participated in the development of the semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL. This high granular calorimeter is one option for the International Large Detector hadronic calorimeter. A prototype has been built in 2011. This 1 m3 prototype is made of 48 glass resistive plate chambers and contains more than 440000 electronic readout channels. This technological calorimeter is often tested with beam of particles at CERN. The collected allowed me to study the hadronic showers with many details. Methods to reconstruct precisely the hadronic showers energy has been developed in order to improve the SDHCAL energy resolution. My main contribution was the development of the hadronic shower simulation within the SDHCAL. A realistic simulation of the SDHCAL was performed by studying the SDHCAL response to the passage of muons and electromagnetic showers. I was then able to compared different simulation models with experimental data. The SDHCAL granularity allows precise studies on the hadronic showers topology, such as longitudinal and lateral shower extent. I finally worked on the W and Z boson mass reconstruction in a full simulation of the International Large Detector in order to study the performance of this calorimeter option with particle flow techniques

This dissertation investigates CsI(Tl) pulse shape discrimination (PSD) as a novel experimental technique to improve challenging areas of particle identification at high energy $e^+ e^-$ colliders using CsI(Tl) calorimeters. In this work CsI(Tl) PSD is implemented and studied at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB $e^+ e^-$ collider, representing the first application of CsI(Tl) PSD at a $B$ factory experiment. Results are presented from Belle II as well as a testbeam completed at the TRIUMF proton and neutron irradiation facility. From the analysis of the testbeam data, energy deposits from highly ionizing particles are shown to produce a CsI(Tl) scintillation component with decay time of $630\pm10$ ns, referred to as the hadron scintillation component, and not present in energy deposits from electromagnetic showers or minimum ionizing particles. By measuring the fraction of hadron scintillation emission relative to the total scintillation emission, a new method for CsI(Tl) pulse shape characterization is developed and implemented at the Belle II experiment's electromagnetic calorimeter, constructed from 8736 CsI(Tl) crystals. A theoretical model is formulated to allow for simulations of the particle dependent CsI(Tl) scintillation response. This model is incorporated into GEANT4 simulations of the testbeam apparatus and the Belle II detector, allowing for accurate simulations of the observed particle dependent scintillation response of CsI(Tl). With $e^\pm$, $\mu^\pm$, $\pi^\pm$, $K^\pm$ and $p/\bar{p}$ control samples selected from Belle II collision data the performance of this new simulation technique is evaluated. In addition the performance of hadronic interaction modelling by GEANT4 particle interactions in matter simulation libraries is studied and using PSD potential sources of data vs. simulation disagreement are identified. A PSD-based multivariate classifier trained for $K_L^0$ vs. photon identification is also presented. With $K_L^0$ and photon control samples selected from Belle II collision data, pulse shape discrimination is shown to allow for high efficiency $K_L^0$ identification with low photon backgrounds as well as improved $\pi^0$ identification compared to shower-shape based methods. / Graduate