Le Large Hadron Collider (LHC), située au CERN, Genève, produit des collisions de protons accélérés à une énergie de 3.5 TeV depuis le 23 Novembre 2009. L'expérience ATLAS enregistre depuis des données et poursuit sa recherche de nouvelle physique à travers l'analyse de la cinématique des événements issues des collisions. L'augmentation prévue de la luminosité sur la période s'étalant de 2011 2020 apportera de nouveaux défis pour le détecteur qui doivent être considérés pour maintenir les bonnes performance de la configuration actuelle. Le détecteur interne sera le sous-détecteur le plus affecté par l'augmentation de la luminosité qui se traduira par une augmentation des dommages occasionnés par la forte radiation et par la multiplication du nombre de traces associées à chaque croisement de faisceau. Les dommages causés par l'irradiation intense entrainera une perte d'efficacité de détection et une réduction du nombre de canaux actifs. Un intense effort de Recherche et Développement (R&D) est présentement en cours pour concevoir un nouveau détecteur pixel plus tolérant aux radiations et au cumul des événements générant un grand nombre de traces à reconstruire. Un premier projet de mise-à-jour du détecteur interne, nommé Insertable B-Layer (IBL) consiste à ajouter un couche de détection entre le tube à vide du faisceau et la première couche de silicium. Le projet SLHC prévoit de remplacer l'ensemble du détecteur interne par une version améliorée plus tolérante aux radiations et aux cumuls des événements. Dans cet ouvrage, je présente une étude utilisant la simulation technologique assisté par ordinateur (TCAD) portant sur les méthodes de conception des détecteurs pixels planaires permettant de réduire les zones inactives des détecteurs et d'augmenter leurs tolérances aux radiations. Les différents modèles physiques disponible ont étés étudiés pour développer un modèle cohérent capablede prédire le fonctionnement des détecteurs pixels planaires après irradiation. La structure d'anneaux de gardes utilisée dans le détecteur interne actuel a été étudié pour obtenir de l'information sur les possible méthodes permettant de réduire l'étendu de la surface occupée par cette structure tout en conservant un fonctionnement stable tout au long de la vie du détecteur dans l'expérience ATLAS. Une campagne de mesures sur des structures pixels fut organisée pour comparer les résultats obtenue grâce à la simulation avec le comportement des structures réelles. Les paramètres de fabrication ainsi que le comportement électrique ont été mesurés et comparés aux simulations pour valider et calibrer le modèle de simulation TCAD. Un modèle a été développé pour expliquer la collection de charge excessive observée dans les détecteurs planaires en silicium lors de leur exposition a une dose extrême de radiations. Finalement, un modèle simple de digitalisation à utiliser pour la simulation de performances détecteurs pixels individuels exposés à des faisceau de haute énergie ou bien de l'ensemble du détecteur interne est présenté. Ce modèle simple permets la comparaison entre les données obtenue en faisceau test aux modèle de transport de charge inclut dans ladigitalisation. Le dommage dû à la radiation , l'amincissement et l'utilisation de structures à bords minces sont autant de structures dont les effets sur la collecte de charges affectent les performance du détecteur. Le modèle de digititalisation fut validé pour un détecteur non-irradié en comparant les résultats obtenues avec les données acquises en test faisceau de haut énergie. Le modèle validé sera utilisé pour produire la première simulation de l'IBL incluant les effets d'amincissement du substrat, de dommages dûes aux radiations et de structure dotés de bords fins.

La matière que nous connaissons est composée de hadrons dont les quarks et les gluons sont les composants élémentaires. Ces derniers n'existent pas libres dans la matière ordinaire et sont donc en permanence confinés dans les hadrons. Cependant, d'après les prédictions théoriques, quelques microsecondes après le Big Bang, la température était suffisamment élevée pour que les quarks et les gluons ne soient pas contenus dans les hadrons. Il s'agit d'une phase déconfinée de la matière hadronique appelée Plasma de Quarks et Gluons (QGP). Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Genève) est un accélérateur de particules permettant d'accélérer, entre autres, des ions et de produire des collisions à des énergies dans le centre de masse par nucléons allant jusqu'à plusieurs TeraélectronVolts. Il est ainsi possible d'atteindre des températures permettant de recréer cette phase de QGP pour en étudier les propriétés. C'est dans ce cadre que se place l'expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiement) qui est dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Le temps de vie du QGP étant trop faible, il n'est pas possible de l'étudier directement. Il est alors nécessaire d'utiliser des observables indirectes. Ce travail de thèse s'inscrit directement dans ce programme de physique par le biais de l'étude des collisions d'ions lourds à 2.76 TeV. Deux observables sont abordées : la densité de particules chargées par unité de pseudorapidité et les mésons vecteurs de basse masse (rho, omega et phi) dans le canal dimuons. La première observable permet d'accéder à des informations sur les conditions initiales et la dynamique sous-jacente des mécanismes de production de particules. La mesure est réalisée sur la gamme en pseudo-rapidité la plus large jamais atteinte au LHC (10 unités) grâce au développement d'une méthode d'analyse originale dite " méthode des vertex déplacés ". La technique employée et les résultats obtenus sont décrits dans le chapitre 3. L'étude des mésons vecteurs de basse masse permet d'accéder à la production d'étrangeté via le méson phi et à la symétrie chirale à travers la modification de la fonction spectrale du rho. L'analyse a été menée à l'aide du spectromètre à muons d'ALICE et les résultats obtenus sur le taux de production du méson phi par rapport au mésons rho et omega sont présentés dans le chapitre 4. Dans ce chapitre, une étude sur la sensibilité du détecteur aux effets liés à la restauration de la symétrie chirale est aussi menée.

Celà fait maintenant presque 50 ans qu'on a découvert que la section efficace totale proton-proton augmentait avec l'énergie, alors qu'on pensait précédemment qu'elle deviendrait asymptotiquement constante. Les incertitudes des mesures sur les rayons cosmiques effectuées à haute énergie ne permettent pas de déterminer la forme exacte de l'augmentation de la section efficace avec l'énergie.Le LHC au CERN à Genève fournit des collisions avec une énergie jamais atteinte dans un accélérateur de particule. L'énergie dans le centre de masse était 7 TeV en 2010 - 2011, 8 TeV en 2012 et atteindra 14 TeV dans un futur proche. Le détecteur ATLAS installé sur un des quatre points d'interaction du LHC, est utilisé pour collecter le résultat des collisions proton-proton. Son sous-détecteur ALFA, situé à 240 m du point d'interaction, est utilisé pour détecter les proton résultant des collisions élastiques. ALFA est donc capable, dans certaines conditions particulières de l'optique, de mesurer la section efficace totale et la pente nucléaire.Le travail effectué durant cette thèse a permit de mesurer σtot = 94.88 ± 0.12 stat ± 1.56syst mb et b = 19.45 ± 0.05stat ± 0.31syst GeV-2 à 7 TeV.

Sont décrits dans cette HDR, les travaux scientifiques que j'ai réalisés depuis ma thèse, soutenue en 1994. La première partie de ces travaux fut consacrée à la construction et au développement de détecteurs au sein de l'expérience BaBar. La seconde partie, plus longuement développée ici, fut l'étude des processus di-leptoniques e+e- ->l+l- au sein de l'expérience ALEPH à LEP2. Dans l'expérience BaBar, j'ai tout d'abord contribué à l'étude de faisabilité d'un compteur Cerenkov à seuil dédié à l'identification des particules chargées. J'ai ensuite eu la responsabilité de la construction d'une chambre à fils de contrôle du gain installée dans le système de gaz de la chambre à dérive de BaBar. Ces activités incluaient un travail de conception et de simulation de détecteurs ainsi qu'un travail d'analyse de données de tests. J'ai ensuite participé à l'analyse des données de LEP2 par la mesure des sections efficaces et des asymétries avant-arrière des processus di-leptoniques. J'ai effectué l'interprétation de ces mesures dans le cadre de différents scénarios de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, tels que les interactions de contact à quatre fermions, les dimensions supplémentaires ou la production de sneutrinos avec violation de R-parité. J'ai de plus participé à la combinaison des résultats di-leptoniques des quatre expériences LEP. Ces années passées entre construction de détecteurs et analyse de données dans le domaine de la physique électrofaible m'incitent à rejoindre aujourd'hui la thématique des neutrinos. Le projet de recherche que je présente est centré sur cette thématique, notamment sur mon implication future dans le projet Laguna-LBNO. Enfin, je décris aussi dans ce mémoire mes différentes activités de diffusion scientifique, notamment auprès du public scolaire, car, en plus de mon travail de recherche et d'enseignement, c'est un aspect important de mon activité de ces dix dernières années.

Les trois premières années de fonctionnement de l'expérience ATLAS au LHC, aux résultats fructueux, ont ouvert l'accès à la physique expérimentale à l'échelle du TeV. Les travaux effectués dans ce contexte ont porté à la fois sur des aspects de performance (reconstruction des électrons) et d'analyse (recherche de nouvelle physique). La première partie est consacrée aux mesures in situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La méthodologie employée pour réaliser ces mesures dans les données est présentée en détails ainsi que les méthodes développées pour l'estimation du bruit de fond résiduel. La deuxième partie traite de la recherche de Supersymétrie dans les événements avec deux leptons (électrons ou muons) de charges identiques, accompagnés de jets et éventuellement d'énergie transverse manquante, basée sur l'ensemble des données collectées par ATLAS en 2012 (soit 21 fb-1 à sqrt s= 8 TeV). Ces états finaux sont particulièrement appropriés à la recherche de gluinos ou de squarks de troisième génération. Les principaux aspects de l'analyse sont décrits, notamment les méthodes d'estimation des différents bruits de fond. L'absence d'excès dans les régions de signal par rapport aux prédictions du Modèle Standard est interprétée en termes de limites sur les masses des superpartenaires, dans le cadre de modèles aux spectres de masse simplifiés. Ainsi, dans les modes de désintégrations étudiés, l'existence de gluinos de masse inférieure à 1 TeV, ou de sbottoms de masse inférieure à 500 GeV, est exclue.

Ce travail présente la mesure de la section efficace différentielle du boson Z en impulsion transverse (ptz), dans le canal de désintégration electron-positron, avec le détecteur ATLAS au LHC. La mesure utilise 4.64 inverse fb de données de collisions proton-proton, prises en 2011 avec une énergie du centre de masse de 7 TeV. Le résultat est combiné avec une mesure indépendante faite dans le canal muon-antimuon. La mesure est faite jusqu'à ptz = 800 GeV, et a une incertitude typique de 0.5 % pour ptz < 60 GeV, atteignant jusqu'à 5 % vers la fin du spectre. La mesure est comparée avec modèles théoriques et prédictions des générateurs Monte Carlo.

Les trois première s ann ées de fonctionnement de l'exp erience ATLAS au LHC, aux r esultats fructueux, ont ouvert l'acc es a la physique expérimentale a l' échelle du TeV. Les travaux effectues dans ce contexte ont port e a la fois sur des aspects de performance (reconstruction des électrons) et d'analyse (recherche de nouvelle physique). La première partie est consacrées aux mesures in situ des e cacit es de reconstruction et d'identi cation des électrons. La méthodologie employée pour réaliser ces mesures dans les donn ées est pr esent ée en d étails ainsi que les méthodes d evelopp ées pour l'estimation du bruit de fond r ésiduel. La deuxi ème partie traite de la recherche de Supersym etrie dans les ev enements avec deux leptons ( électrons ou muons) de charges identiques, accompagné es de jets et eventuellement d' energie transverse manquante, bas ee sur l'ensemble des donn ees collect ees par ATLAS en 2012 (soit 21 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}$ = 8 TeV). Ces états fi naux sont particulièr ement appropries a la recherche de gluinos ou de squarks de troisi eme g en eration. Les principaux aspects de l'analyse sont d ecrits, notamment les m ethodes d'estimation des di erents bruits de fond. L'absence d'exc es dans les r egions de signal par rapport aux prédictions du Mod ele Standard est interpr et ée en termes de limites sur les masses des superpartenaires, dans le cadre de mod èles aux spectres de masse simpli fiés. Ainsi, dans les modes de d esint egrations etudi es, l'existence de gluinos de masse inférieure a 1 TeV, ou de sbottoms de masse inf érieure a 500 GeV, est exclue.

Je présente dix années d'activité passées sur l'expérience BaBar ainsi que mon projet de recherche sur l'expérience AMS. Je décris les installations expérimentales relatives à BaBar et les principaux résultats apportés par l'expérience. Ensuite je détaille mes sujets de recherche qui sont liés à l'étude des états finals B -> Dbar(*) D(*) K. Ces états finals sont au nombre de 22 et présentent des propriétés très intéressantes à mesurer. Tout d'abord, ils constituent une fraction non négligeable des désintégrations des mésons B et une mesure des rapports d'embranchement est ainsi présentée. Cette mesure permet une étude des relations d'isospin entre tous les états finals. Ces désintégrations permettent également de retirer des informations utiles sur les angles du triangle d'unitarité, qui sont liés à la violation de CP. Les événements B -> Dbar(*) D(*) K contiennent de nombreuses résonances, dont certaines sont encore mal connues et demeurent mystérieuses. Je décris l'étude qui est faite sur des résonances telles que le X(3872) ou le Ds1*(2700), en utilisant des distributions de masses invariantes ou des diagrammes de Dalitz. Enfin, mon projet de recherche sur AMS est présenté, et j'explique l'intérêt d'une mesure de la fraction de positons, et à terme, du flux de positons. Des déviations de ces mesures par rapport aux prédictions pourraient être le signe de pulsars proches, mais également pourraient constituer une observation indirecte de l'annihilation de matière noire.

Différents environnements gravitationnels à 4 dimensions sont abordés dans ce thése : instantons gravitationnels et trous noirs aussi bien en relativité générale qu'en supergravité. La recherche de nouvelles solutions en relativité est un véritable défi. Cette tâche est nettement simplifiée dans l'hypothèse où l'on dispose d'un tenseur de Riemann auto-dual. Ces solutions sont dites instantons gravitationnels. L'évolution des instantons est décrite par un flot géométrique. Ce lien est analysé en détail, en focalisant l'attention sur le rôle du tensor de Ricci dans le flot géométrique. En espace de type Anti-de-Sitter (AdS), trouver de nouveaux trous noirs avec symétrie axiale est une question toujours ouverte. Cette question peut être posée dans le contexte des fluides holographiques. Trous noirs en rotation correspondent à des fluides aux vorticités particulières. En imposant que la solution soit régulière sur l'horizon, le fluide acquiert la forme d'un fluide parfait. Des conditions nécessaires afin que la correspondence entre solution gravitationnelle et théorie hydrodynamique, qui se fait usuellement par un développement perturbatif, puisse être ressommé et pour qu'on puisse trouver des solutions exactes de la relativité ont etées trouvées. Le comptage de l'entropie des trous noirs dans des espaces AdS ne fait toujours pas partie des résultats connus. Dans le cas des solutions en rotation des théories de supergravité N=2, une relation entre trous noirs extremaux non-BPS en espace plat et trous noirs BPS en espace AdS a été mise au point. La connexion entre cettes solutions donne des informations sur le comptage microscopique.

Deux analyses de physique des particules à hautes énergies sont présentées dans ce manuscrit de thèse, utilisant des événements avec deux leptons de charges opposées et de l'énergie transverse manquante. Ces événements sont sélectionnés parmi 9.7 fb-1 de données totales de collisions pp enregistrées par le détecteur DØ auprès du collisionneur TeVatron du Fermilab à √s=1.96 TeV.La première analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en H→WW→μνμν. Aucun excès significatif au-dessus de l'attente pour le bruit de fond n'est observé.Des limites supérieures sur la section efficace de production du boson de Higgs sont donc calculées dans le cadre du modèle standard mais aussi dans l'hypothèse de l'existence d'une quatrième génération de fermions et dans le contexte de couplages fermiophobiques du boson de Higgs.Pour valider la méthodologie de cette recherche, la section efficace de production de la paire de bosons W est mesurée.La seconde analyse est la mesure de l'asymétrie avant-arrière de production de la paire tt. Il s'agit de la première mesure dans le canal dileptonique de l'expérience DØ. Dans ce contexte, une méthode inédite de reconstruction de la cinématique de la paire est utilisée (méthode des éléments de matrice) pour donner une mesure brute de l'asymétrie avant-arrière. A l'aide d'une méthode de calibration dédiée, nous donnons une mesure finale de AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).