L'expérience CMS auprès du LHC, grand collisionneur de hadrons, est un détecteur généraliste qui permet d'étudier tous les aspects des collisions proton-proton produites par le LHC : de l'étude du Modèle Standard et du boson de Higgs à la recherche de signaux de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard.La première partie de cette thèse est dédiée à la calibration en énergie des jets dans CMS, un des plus grands défis et une étape fondamentale pour la réussite du programme de physique dans cet environnement hadronique. Plus particulièrement, l'étude des événements multijets permet de contraindre l'échelle en énergie des jets au-delà du TeV. Les corrections en énergie ainsi extraites sont primordiales pour les analyses de physique utilisant des jets, et sont utilisées par toute la collaboration CMS.La deuxième partie est consacrée à la recherche de particules de spin 0 se désintégrant en paires de quarks top-antitop. En effet, de nombreux modèles de nouvelle physique prédisent de nouvelles particules scalaires ou pseudoscalaires avec un fort couplage au quark top. Une étude phénoménologique de deux de ces modèles est présentée, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs (2HDM) et l'extension supersymétrique minimale du Modèle Standard (MSSM). Ces modèles offrent tous deux un secteur de Higgs enrichi avec entre autre deux bosons de Higgs neutres additionnels, un scalaire et un pseudoscalaire. Une analyse du spectre de masse invariante des paires top-antitop utilisant les données collectées par CMS en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV visant à mettre en évidence l'existence de telles particules est menée. Cette analyse prend en compte pour la première fois les effets des interférences entre la production des paires top-antitop du Modèle Standard et la production résonante à travers la nouvelle particule de spin 0. Il est montré que l'impact des interférences ne peut être négligé. Aucune déviation par rapport aux prédictions théoriques du Modèle Standard n'a été observée dans le spectre de masse invariante des paires top-antitop. Un premier aperçu des données à 13 TeV est également présenté / The CMS experiment at the LHC, the Large Hadron Collider, is a general-purpose detector built to study the proton-proton collisions produced by the LHC, corresponding to a broad physics programme ranging from studying the Standard Model and the Higgs bosons to searching for signal of new physics beyond the Standard Model.The first part of this thesis is dedicated to the jet energy calibration in CMS, one of the most challenging and crucial steps for the sucess of the physics programme within the hadronic environment. More specifically, the study of multijet events allows to constraint the jet energy scale beyond the TeV-scale. The jet energy corrections thus obtained are fundamental for the physics analyses using jets, and are used by all the CMS collaboration.The second part of this manuscript is dedicated to the search for new spin 0 particles decaying into top-antitop quarks pairs. Indeed, several new physics models predict new scalar or pseudoscalar particles with an enhanced coupling to the top quark. A phenomenological study of two of those models is presented, namely the two higgs doublet models (2HDM) and the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). These models both offer an enriched Higgs sector with in particular two additional neutral Higgs bosons, one scalar and one pseudoscalar. The analysis of the top-antitop pairs mass spectrum using data collected by CMS in 2012 at an energy in the center of mass of 8 TeV is presented, looking for such particles. This search takes into account for the first time the effects of interference between Standard Model top-antitop pairs production and its resonant production through the spin 0 particle. This work shows the impact of interference cannot be neglected. No deviation from the Standard Model predictions has been observed in the top-antitop mass spectrum. A first look at 13 TeV data is also presented

La première partie de cette thèse est dédiée à l’extraction des corrections de l’échelle en énergie des jets dans l’expérience CMS du LHC. Les diverses méthodes d’extraction sont détaillées, en insistant tout particulièrement sur l’utilisation des événements photon + jets. Les corrections ainsi extraites sont primordiales pour les analyses de physique utilisant des jets, et sont d’ores et déjà utilisées par toute la collaboration.La deuxième partie présente la recherche de physique au-delà du Modèle Standard dans le secteur du quark top. De nombreux modèles de nouvelle physique prédisent en effet de nouvelles particules, pouvant se manifester comme des résonances dans le spectre de masse top-antitop. Deux analyses sont présentées dans cette thèse, une dédiée à la recherche des résonances de spin 1 et une dédiée à la recherche de résonances de spin 0, où les phénomènes d’interférences avec le Modèle Standard sont pris en compte / The first part of this thesis is dedicated to the extraction of jet energy scale corrections for the CMS experiment at the LHC. Various extraction methods are described, with a particular interest on corrections extraction using photon + jets events. These corrections are necessary for all analyses using jets and are already used by the whole collaboration. The second part presents the searches for new physics beyond the Standard Model. Many models of new physics predict new particles with enhanced coupling to the top quark, which can show up as resonances in the top-antitop invariant mass spectrum. Two separate analyses are described in this thesis, one dedicated to the search of spin 1 resonances and one dedicated to the search of spin 0 resonances, where interference effects with the Standard Model production are taken into account

In this thesis, we study certain non-perturbative aspects of N=1 gauge theories. We show how to compute the expectation values of chiral operators (i.e. those that preserve the anti-chiral supercharges) exactly from a first-principle approach based on the path integral over the microscopic fields. <p><p>The text is divided into two parts. The first one consists of an original introduction to the tools that underlie the researches and results obtained during this thesis. After a general introduction, we present some methods to obtain exact results. Covered topics include instantons, N=2 supersymmetry and localization,N=1 supersymmetry and holomorphy, and finally the Dijgraaf-Vafa matrix model formalism and the perturbative generalized Konishi anomaly equations. These preliminaries were chosen to enlighten the presentation of our results. A brief overview of our results is then. This includes localization in some N=1 gauge theories, its applications to the computation of chiral correlators as well as a non-perturbative discussion of the generalized Konishi equations and of the Dijkgraaf-Vafa glueball superpotential. We insist on the ideas and the results, postponing the details for the second part, which consists of a faithful reproduction of the papers published during this thesis and in which the author has been involved. /<p><p>Dans cette thèse, nous étudions certains aspects non-perturbatifs des théories de jauge supersymétriques N=1. Plus précisemment, nous montrons comment les valeurs moyennes des opérateurs chiraux (qui préservent la moitié des supercharges) dans les vides quantiques peuvent être calculées sans approximations, à partir d'une approche basée sur l'intégrale fonctionnelle sur les champs microscopiques. <p><p>Ce mémoire est divisé en deux parties. La première consiste en une introduction à l'approche microscopique des théories de jauge supersymétriques. Une grande fraction de celle-ci est dédiée à la présentation des concepts et méthodes qui sont à la base du développement de ce formalisme et de nos recherches. Ceci inclut les instantons, la supersymétrie N=2 et la localisation dans l'intégrale fonctionnelle, la supersymétrie N=1 et l'holomorphie, et enfin l'approche de Dijkgraaf-Vafa basée sur un modèle de matrices et les équations d'anomalie généralisées de Konishi. Ensuite, nous présentons le formalisme microscopique et les résultats obtenus durant cette thèse. Nous expliquons comment utiliser la technique de localisation dans certaines théories de jauge N=1 et comment l'appliquer au calcul des valeurs moyennes des opérateurs chiraux. Nous discutons également de façon non-perturbative les équations d'anomalie généralisées de Konishi et le superpotentiel de Dijkgraaf-Vafa. La plupart des résultats exacts connus dans les théories de jauge N=1 sont reproduits, dont la condensation des gluinos et la brisure de la symétrie chirale.<p>Nous insistons sur les idées et les résultats plutôt que sur les détails techniques. Ceux-ci sont décrits dans la seconde partie de ce mémoire, qui consiste en une reproduction fidèle des travaux publiés durant cette thèse. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The Standard Model of particle physics is the framework that describes all known phenomenaand interactions between elementary particles. It has proven to give outstanding results overthe years and was succesfully completed with the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in2012 by the ATLAS and CMS collaborations at CERN. However, several observations escape itsreach: the matter-antimatter asymmetry, the nature of Dark Matter or the quantization of theelectric charge. These are all examples of measured facts not explained by the Standard Modelformalism and that call for an extension to a Beyond the Standard Model (BSM) theory. In thisthesis, we have looked for evidence of new physics using proton-proton collision data producedby CERN’s Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV. Collected from2016 to 2018 by the CMS detector, it corresponds to an integrated luminosity of 136/fb .Afteran introduction to the theoretical context and the experimental tools, two analyses are presented.The first one is a search for Dark Matter particles recoiling against a jet and leaving the detectorunnoticed. With this ”monojet” analysis, we are able to exclude mediator masses up to 1.8TeV, and masses of Dark Matter particles up to 700 GeV. The second analysis is a search forfractionally charged particles. Using the fact that their stopping power is lower than StandardModel particles, we are able to exclude their existence up to masses of 765 GeV for a charge of2/3 e. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'astronomie des rayons g de haute (E > 100MeV, HE) et de très haute énergie (E 100GeV, VHE) ont effectué des progrès considérables en moins d'une décennie. Le nombre de sources émettrices dans ce régime d'énergie a augmenté de plus d'un ordre de grandeur, de nouvelles classes d'émetteurs ont été découvertes et des nouvelles sous-classes ont été établies basées sur l'émission gamma, et les sources connues sont à présent résolues à des échelles spatiales ou temporelles sans précédent révélant de nouvelles propriétés. Les noyaux actifs de galaxie (AGN) sont l'une des classes d'émetteurs les plus énergétiques, dont le pic de puissance émis dans le spectre électromagnétique peut dans certains cas dépasser la capacité de mesure des instruments actuels, et dont l'investigation requiert la maîtrise simultanée du ciel g HE et VHE qu'apportent les expériences Cerenkov au sol (atmospheric Cerenkov telescope, ou ACT) et le satellite Fermi.

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

Les mesures de sections efficaces de production di-bosons constituent une partie importante du programme de physique au Large Hadron Collider (Grand collisionneur de hadrons) au CERN. Ces analyses de physique offrent la possibilité d'explorer le secteur électrofaible du modèle standard à l'échelle du TeV et peuvent être une indication de l'existence de nouvelles particules au-delà du modèle standard. L'excellente performance du LHC dans les années 2011 et 2012 a permis de faire les mesures très compétitives. La thèse donne un aperçu complet des méthodes expérimentales utilisées dans la mesure de la section efficace de production de W⁺W⁻ dans les collisions proton-proton au √s = 7 TeV et 8 TeV. Le texte décrit l'analyse en détail, en commençant par l'introduction du cadre théorique du modèle standard et se poursuit avec une discussion détaillée des méthodes utilisées dans l'enregistrement et la reconstruction des événements de physique dans une expérience de cette ampleur. Les logiciels associés (online et offline) sont inclus dans la discussion. Les expériences sont décrites en détail avec en particulier une section détaillée sur le détecteur ATLAS. Le dernier chapitre de cette thèse présente une description détaillée de l'analyse de la production de bosons W dans les modes de désintégration leptoniques utilisant les données enregistrées par l'expérience ATLAS pendant les années 2011 et 2012 (Run I). Les analyses utilisent 4,6 fb⁻¹ de données enregistrées à √s = 7 TeV et 20,28 fb⁻¹ enregistré à 8 TeV. La section efficace mesurée expérimentalement pour la production de bosons W dans l'expérience ATLAS est plus grande que celle prédite par le modèle standard à 7 TeV et 8 TeV. La thèse se termine par la présentation des résultats de mesures différentielles de section efficace. / Measurements of di-boson production cross-sections are an important part of the physics programme at the CERN Large Hadron Collider. These physics analyses provide the opportunity to probe the electroweak sector of the Standard Model at the TeV scale and could also indicate the existence of new particles or probe beyond the Standard Model physics. The excellent performance of the LHC through years 2011 and 2012 allowed for very competitive measurements. This thesis provides a comprehensive overview of the experimental considerations and methods used in the measurement of the W⁺W⁻ production cross-section in proton-proton collisions at √s = 7 TeV and 8 TeV. The treatise covers the material in great detail, starting with the introduction of the theoretical framework of the Standard Model and follows with an extensive discussion of the methods implemented in recording and reconstructing physics events in an experiment of this magnitude. The associated online and offline software tools are included in the discussion. The relevant experiments are covered, including a very detailed section about the ATLAS detector. The final chapter of this thesis contains a detailed description of the analysis of the W-pair production in the leptonic decay channels using the datasets recorded by the ATLAS experiment during 2011 and 2012 (Run I). The analyses use 4.60 fb⁻¹ recorded at √s = 7 TeV and 20.28 fb⁻¹ recorded at 8 TeV. The experimentally measured cross section for the production of W bosons at the ATLAS experiment is consistently enhanced compared to the predictions of the Standard Model at centre-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV. The thesis concludes with the presentation of differential cross-section measurement results.

Les binaires X de grande masse (HMXBs pour High-Mass X-ray Binaries en anglais), constituées d'un objet compact (étoile à neutrons ou trou noir) orbitant autour d'une étoile massive, ont un intérêt fondamental dans l'étude des processus d'accrétion/éjection autour d'un objet compact. Par ailleurs, des études observationnelles récentes prouvent qu'une majorité d'étoiles massives vivent en couple et connaissent des transferts de matière au cours de leur vie. De ce fait, comprendre l'évolution des HMXBs ainsi que leur interaction avec l'environnement proche permet de mieux cerner l'évolution des couples stellaires les plus massifs, possibles progéniteurs de sursauts gamma et émetteurs d'ondes gravitationnelles lors de leur coalescence. Plus largement, la connaissance de l'évolution des étoiles binaires massives en interaction est cruciale pour caractériser correctement les galaxies lointaines. Comment ces sources évoluent-elles ? Où sont-elles situées dans la Galaxie ? Quelles sont leurs propriétés principales ? Quelle est l'influence de leur environnement proche ? Quel est leur impact sur le milieu interstellaire? Cette thèse vise à apporter des éléments de réponse à ces questions, en adoptant deux approches complémentaires : d'une part une étude statistique de la population Galactique de binaires X de grande masse et d'autre part une étude multi-longueurs d'onde de sources prises individuellement.

Une émission gamma à 511 keV est observée depuis le début des années 1970 dans la direction du centre Galactique. Cette émission est la signature de l'annihilation d'électrons avec des positrons qui sont les antiparticules des électrons. Malheureusement, l'origine de ces positrons galactiques reste à l'heure actuelle un mystère. De nombreuses sources de positrons ont été proposées mais elles présentent toutes des difficultés à expliquer cette émission d'annihilation galactique. Celle-ci possède une distribution spatiale particulière. Depuis 2002, le spectromètre SPI à bord de l'observatoire spatial INTEGRAL révèle une émission fortement concentrée dans le bulbe galactique et une faible émission en provenance du disque galactique. Cette distribution spatiale est totalement atypique car elle ne ressemble à aucune distribution galactique connue, que ce soit d'une population stellaire ou d'un gaz interstellaire. L'hypothèse selon laquelle les positrons s'annihilent à proximité de leur source (c.-à-d. que la distribution spatiale de l'émission d'annihilation est identique à la distribution spatiale des sources) a donc été remise en cause. Des études récentes semblent suggérer que les positrons pourraient se propager loin de leur source avant de s'annihiler. Ceci permettrait de résoudre éventuellement l'énigme sur l'origine des positrons galactiques. Cette thèse a été consacrée à modéliser la propagation puis l'annihilation des positrons dans la Galaxie, dans le but de comparer des modèles spatiaux de l'émission d'annihilation aux dernières données mesurées par SPI/INTEGRAL. Cette méthode nous permet en effet de poser des contraintes sur l'origine des positrons galactiques. Nous avons donc développé un code de simulation Monte Carlo de transport des positrons dans la Galaxie dans lequel nous avons implémenté toutes les connaissances théoriques et observationnelles de la physique des positrons (sources, modes de transport, pertes en énergie, modes d'annihilation) et du milieu interstellaire de la Galaxie (distributions du gaz interstellaire, champs magnétiques galactiques, structure des phases gazeuses). Dues aux incertitudes entourant de nombreux paramètres physiques (champs magnétique du halo galactique, structure des phases du milieu interstellaire, etc.), nous avons implémenté plusieurs modèles pouvant potentiellement rendre compte de ces paramètres. Ces paramétrages différents de la Galaxie nous ont ainsi permis d'estimer leur impact sur la propagation et l'émission d'annihilation des positrons. Nous avons appliqué ce code à l'étude des positrons émis par la décroissance β+ de l'26Al, du 44Ti et du 56Ni qui sont continûment produits dans la Galaxie au coeur des étoiles massives et des explosions de supernovae. Nous avons étudié ces sources car l'idée que celles-ci pourraient expliquer l'émission d'annihilation galactique est largement répandue depuis des décennies. Nous avons montré que, peu importe le paramétrage de la Galaxie, ces positrons permettent d'expliquer l'émission du disque mais pas la totalité de l'émission du bulbe. La raison est simple : ces positrons ne se propagent pas très loin de leur source avant de s'annihiler. Dans ce cadre, une source supplémentaire de positrons dans le bulbe est nécessaire pour rendre compte de la totalité de l'émission. Nous avons montré qu'une source transitoire de positrons (d'énergie ~MeV) située au centre de la Galaxie pourrait expliquer l'émission du bulbe.

Les capteurs monolithiques actifs à pixels (Monolithic Active Pixel Sensors, MAPS) sont de bons candidats pour être utilisés dans des expériences en Physique des Hautes Énergies (PHE) pour la détection des particules chargées. Dans les applications en PHE, des puces MAPS sont placées dans le voisinage immédiat du point d’interaction et sont directement exposées au rayonnement intense de leur environnement. Dans cette thèse, nous avons étudié et amélioré la résistance aux radiations des MAPS. Les effets principaux de l’irradiation et le progrès de la recherche sur les MAPS sont étudiés tout d'abord. Nous avons constaté que les cœurs des SRAM IP incorporées dans la puce MAPS limitent sensiblement la tolérance aux radiations de la puce MAPS entière. Aussi, pour améliorer la radiorésistance des MAPS, trois mémoires radiorésistantes sont conçues et évaluées pour les expériences en PHE. Pour remplacer les cœurs des IP SRAM, une SRAM radiorésistante est développée sur une petite surface. Pour les procédés de plus petit taille de grille des transistors, dans lequel les effets SEU (Single Event Upset) deviennent significatifs, une SRAM radiorésistante avec une tolérance SEU accrue est réalisée à l’aide d’un algorithme de détection et de correction d'erreurs (Error Detection And Correction, EDAC) et un stockage entrelacé des bits. Afin d'obtenir une tolérance aux rayonnements et une densité de micro-circuits plus élevées, une mémoire à double accès avec une cellule à 2 transistors originale est développée et évaluée pour des puces MAPS futures. Enfin, la radiorésistance des puces MAPS avec des nouveaux procédés disponibles est étudiée, et les travaux futurs sont proposés. / Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are good candidates to be used in High Energy Physics (HEP) experiments for charged particle detection. In the HEP applications, MAPS chips are placed very close to the interaction point and are directly exposed to harsh environmental radiation. This thesis focuses on the study and improvement of the MAPS radiation hardness. The main radiation effects and the research progress of MAPS are studied firstly. During the study, the SRAM IP cores built in MAPS are found limiting the radiation hardness of the whole MAPS chips. Consequently, in order to improve the radiation hardness of MAPS, three radiation hard memories are designed and evaluated for the HEP experiments. In order to replace the SRAM IP cores, a radiation hard SRAM is developed on a very limited area. For smaller feature size processes, in which the single event upset (SEU) effects get significant, a radiation hard SRAM with enhanced SEU tolerance is implemented by an error detection and correction algorithm and a bit-interleaving storage. In order to obtain higher radiation tolerance and higher circuitry density, a dual-port memory with an original 2-transistor cell is developed and evaluated for future MAPS chips. Finally, the radiation hardness of the MAPS chips using new available processes is studied, and the future works are prospected.