Grâce à l’exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S’inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d’une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d’exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l’unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l’invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l’ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d’une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider. / With the start of the Large Hadron Collider runs, in 2010, particle physicists will be soon able to have a better understanding of the electroweak symmetry breaking. They might also answer to many experimental and theoretical open questions raised by the Standard Model. Surfing on this really favorable situation, we will first present in this thesis a highly modelindependent parametrization in order to characterize the new physics effects on mechanisms of production and decay of the Higgs boson. This original tool will be easily and directly usable in data analysis of CMS and ATLAS, the huge generalist experiments of LHC. It will help indeed to exclude or validate significantly some new theories beyond the Standard Model. In another approach, based on model-building, we considered a scenario of new physics, where the Standard Model fields can propagate in a flat six-dimensional space. The new spatial extra-dimensions will be compactified on a Real Projective Plane. This orbifold is the unique six-dimensional geometry which possesses chiral fermions and a natural Dark Matter candidate. The scalar photon, which is the lightest particle of the first Kaluza-Klein tier, is stabilized by a symmetry relic of the six dimension Lorentz invariance. Using the current constraints from cosmological observations and our first analytical calculation, we derived a characteristic massrange around few hundred GeV for the Kaluza-Klein scalar photon. Therefore the new states of our Universal Extra-Dimension model are light enough to be produced through clear signatures at the Large Hadron Collider. So we used a more sophisticated analysis of particle mass spectrum and couplings, including radiative corrections at one-loop, in order to establish our first predictions and constraints on the expected LHC phenomenology

Les paramètres du Modèle Standard de la physique des particules ont été vérifiés expérimentalement avec une grande précision. A l'aide du mécanisme de Higgs, ce modèle permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible et prédit l'existence d'une particule reliquat : le boson de Higgs. Cependant, l'incapacité du Modèle Standard à décrire certains phénomènes et le choix ad hoc de plusieurs de ses paramètres semble suggérer qu'il n'est qu'une approximation d'une théorie plus générale. Des modèles au delà du Modèle Standard, comme les 2HDM ou le NMSSM par exemple, remédient à certaines de ses limitations et postulent l'existence de bosons de Higgs additionnels. La première partie de mes travaux porte sur l'étude des désintégrations Z → μ¯μγ, qui sont particulièrement adaptés à la calibration du calorimètre électromagnétique de CMS, étant une des seules sources de vrais photons de haute énergie du Modèle Standard sélectionnables avec une grande pureté. Ces évenements nous ont notamment été utiles pour extraire l'échelle d'énergie des photons pour les données à 7 et 8 TeV. La seconde partie de mon travail traite de la recherche de bosons de Higgs additionnels se désintégrant en une paire de photons, avec une masse invariante inférieure à 125 GeV. De par son état final clair en milieu hadronique et grâce à la très bonne résolution de notre calorimètre électromagnétique, ce canal nous permet de reconstruire une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements diphotons / The parameters of the Standard Model of particle physics have been verified experimentally with a very high accuracy. With the Higgs mechanism, this model explains the origin of the mass of the W and Z bosons, while keeping the photon massless, and thus breaks the gauge symmetry of the electroweak interaction. This mechanism is associated with a particle : the Higgs boson. The inability of this model to describe certain phenomena or the ad hoc choice of some parameters seems to suggest that it is only an approximation of a more general theory. Models beyond the Standard Model, such as 2HDM or NMSSM for example, can compensate some of its limitations and postulate the existence of additional Higgs bosons. Thus, in addition to the study of the photon energy in order to calibrate in situ the CMS electromagnetic calorimeter, my thesis also includes the search for additional Higgs bosons decaying into two photons.The first part of my work focuses on the study of decays Z → μ¯μγ, one of the only sources of real high-energy photons of the Standard Model selectable with a high purity. These events, in spite of their low cross section, are particularly suitable for the calibration of the CMS electromagnetic calorimeter. With these ones, we have extracted the energy scale of photons for 7 and 8 TeV data, have developed a method for measuring the energy resolution of the ECAL and have studied an algorithm designed to reduce the loss of resolution due to the increase of pileup. The second part of my work deals with the search for additional Higgs bosons decaying into a pair of photons with an invariant mass below 125 GeV. Our analysis is based on the Standard Model H → γγ study, which has been essential for the discovery of the new boson at 125 GeV. After the reoptimization of the analysis to improve efficiency on the signal and correctly take into account the Drell-Yan background, which becomes very important near the Z peak, we have been able to extract limits on the cross section of an additional Higgs boson between 90 and 115 GeV

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

Après une introduction générale, ce manuscrit contient deux chapitres préliminaires, l'un décrivant le contexte physique et l'autre les techniques mathématiques utilisées lors de cette thèse.Nous présentons ensuite les travaux développés au cours de cette thèse. Nous commençons par l'extraction de la correction du couplage de Yukawa du quark bottom dans la théorie effective du boson de Higgs par un calcul de correspondance à deux boucles entre cette théorie effective et le modèle standard. Cette correction était la pièce manquante pour l'amélioration de la prédiction de la section efficace de production du boson de Higgs en association avec deux quarks bottom.Les deux chapitres suivants couvrent différents aspects du calcul de la correction au deuxième ordre de la section efficace de production d'un boson de Higgs par fusion de gluon dans la théorie effective du modèle standard. Nous présentons d'abord le calcul des corrections virtuelles de ce processus et exploitons la structure établie des divergences ultraviolettes à une boucle et des divergences infrarouges pour extraire un contre terme à deux boucles qui nous a permis de renormaliser l'amplitude, que nous avons ensuite prolongé analytiquement aux régions physiques.Nous combinons alors ce résultat avec le calcul automatique des corrections par émission réelles par le logiciel Madgraph5_aMC@NLO, qui a permis l'intégration de la section efficace. Nous présentons les résultats pour la section efficace totale et deux distributions de variables cinématiques et commentons l'impact des corrections radiatives sur ces prédictions / After a general introduction, this manuscript presents two preliminary chapters, describing first the physics context and the mathematical techniques used in this thesis.We then present the work performed in this thesis. We start with extraction of the power-suppressed of the Yukawa coupling of the bottom quark in the Higgs Effective Field Theory (HEFT) by a two-loop matching calculation between the Standard Model and the HEFT. This correction was the missing piece to improve the prediction of the production cross section of a Higgs boson in association to a pair of bottom quarks.The two next chapters present different aspects of the NLO corrections to Higgs boson production through gluon fusion in the standard model effective field theory. We first present the evaluation of the virtual corrections to this process and use the known one-loop ultraviolet and infrared divergence structure to extract a two-loop counterterm that allowed us to renormalize the amplitude, which we then analytically continued to the physical regions.We then combine this result with the automatic calculation of the real emission corrections in the program Madgraph5_aMC@NLO. The results are presented for the total cross section and differential distributions and comment on the effect of radiative corrections on these predictions

Cette thèse présente une étude détaillée de l'état final avec un boson Z se désintégrant en deux leptons, produit dans le détecteur CMS au LHC. Pour identifier cette topologie, des algorithmes sophistiqués d'étiquetage des jets b ont été utilisés, et la calibration de l'un d'entre eux, Jet Probability, est exposée. Une étude de la dégradation de cet algorithme à hautes énergies a été menée et une amélioration des performances a pu être notée. Cette étude est suivie par une recherche du boson de Higgs du modèle standard (MS) se désintégrant en deux quarks b, et produit en association avec un boson Z (canal ZH), à l'aide de la Méthode des Éléments de Matrice (MEM) et deux algorithmes d'étiquetage des jets b: JP et Combined Secondary Vertex (CSV). La MEM est un outil perfectionné qui produit une variable discriminante par événement, appelée poids. Pour l'appliquer, plusieurs lots de fonctions de transfert ont été produits. Le résultat final renvoie une limite observée sur le taux de production de ZH avec le rapport d'embranchement H → bb de 5.46xσMS en utilisant CSV et de 4.89xσMS en faisant usage de JP : un léger excès de données est observé seulement pour CSV. Enfin, à partir de l'analyse précédente, une recherche de nouvelle physique modèle-indépendante a été faite. Le but était de discriminer entre eux les processus du MS afin de catégoriser l'espace de phase Zbb, à l'aide d'une méthode récursive basée sur les poids de la MEM. Des paramètres libres ont été ajustés pour obtenir la meilleure limite d'exclusion pour le signal ZH. En utilisant la meilleure configuration trouvée, la limite calculée est de 3.58xσMS, proche de celle obtenue avec l'analyse précédente. / This thesis presents a detailed study of the final state with the Z boson decaying into two leptons, produced in the CMS detector at the LHC. In order to tag this topology, sophisticated b jet tagging algorithms have been used, and the calibration of one of them, the Jet Probability (JP) tagger is exposed. A study of the tagger degradation at high energy has been done and led to a small gain of performance. This investigation is followed by the search for the associated production of the standard model (SM) Higgs boson with a Z boson and decaying into two b quarks (ZH channel), using the Matrix Element Method (MEM) and two b-taggers: JP and Combined Secondary Vertex (CSV). The MEM is an advanced tool that produces an event-by-event discriminating variable, called weight. To apply it, several sets of transfer function have been produced. The final results give an observed limit on the ZH production cross section with the H → bb branching ratio of 5.46xσSM when using the CSV tagger and 4.89xσSM when using the JP algorithm: a small excess of data is observed only for CSV. Finally, based on the previous analysis, a model-independent search of new physics has been performed. The goal was to discriminate all the SM processes to categorize the Zbb phase space, with a recursive approach using the MEM weights. Free parameters had to be tuned in order to find the best exclusion limit on the ZH signal strength. For the best configuration, the computed limit was 3.58xσSM, close to the one obtained with the dedicated search.

Dans ce document deux analyses des propriétés du boson de Higgs se désintégrant en 2 photons dans l'expérience CMS située auprès du LHC (Large Hadron Collider) sont présentées.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique du boson de Higgs, suivie par une description détaillée de l'expérience CMS. En deuxième lieu, les algorithmes de réconstruction et identification des photons sont présentés, avec une attention particulière aux différences entre le premier et le deuxième run du LHC, le premier run (Run1) ayant été pris entre 2010 et 2012 avec une énergie dans le centre de masse de 7 puis 8 TeV, le deuxième (Run2) ayant commencé en 2015 avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Les performances des reconstructions du Run 1 et du Run 2 en ce qui concerne l'identification des photons sont comparées. Ensuite l'algorithme d’identification des photons pour l'analyse H->γγ et optimisé pour le Run2 est présenté. Pour ce faire une méthode d'analyse multivariée est utilisée. Les performances de l'identification des photons à 13 TeV sont enfin étudiées et une validation donnée-simulation est effectuée.Ensuite l'analyse H->γγ avec les premières données du Run2 est présentée. Les données utilisées correspondent à une luminosité intégrée de 12.9 fb⁻¹. Une catégorisation des événements est faite, afin de rendre maximale la signification statistique du signal et d’étudier les différents modes de production du boson de Higgs. La signification statistique observée pour le boson de Higgs du Modèle Standard est 1.7 sigma, pour une signification attendue de 2.7 sigma.Enfin une étude de faisabilité ayant pour but de contraindre les couplages anomaux du boson de Higgs aux bosons de jauges est présentée. Pour cette analyse les données à 8 TeV collectées pendant le Run 1 du LHC, correspondant a' une luminosité intégrée de 19.5/fb sont utilisées. Cette analyse exploite la production du boson de Higgs par fusion de bosons-vecteurs (VBF), avec le Higgs se désintégrant ensuite en 2 photons. Les distributions cinématiques des jets et des photons, qui dépendent de l'hypothèse de spin-parité, sont utilisées pour construire des discriminants capables de séparer les différentes hypothèses de spin-parité. Ces discriminants permettent de définir différentes régions de l'espace des phases enrichies en signal de différentes spin-parité. Les différents nombres d’événements de signal sont extraits dans chaque région par un ajustement de la masse invariante diphoton, permettant de déterminer les contributions respectives des différents signaux et permettant ainsi de contraindre la production de boson de Higgs pseudo-scalaire (spin-parité 0-). / In this document two analyses of the properties of the Higgs boson in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the LHC (Large Hadron Collider) are presented.The document starts with a theoretical introduction of the Standard Model and the Higgs boson physics, followed by a detailed description of the CMS detector.Then, photon reconstruction and identification algorithms are presented, with a particular focus on the differences between the first and the second run of the LHC, the first run (Run1) took place from 2010 to 2012 with a centre-of-mass energy of 7 and then 8 TeV, while the second run (Run2) started in 2015 with a centre-of-mass energy of 13 TeV. Performances of Run1 and Run2 reconstructions from the photon identification point of view are compared. Then the photon identification algorithm for the H->γγ analysis optimised for Run2 is presented. To do that a multivariate analysis method is used. Performances of the photon identification at 13 TeV are finally studied and a data-simulation validation is performed.Afterwards, the H->γγ analysis using the first Run2 data is presented. The analysis is performed with a dataset corresponding to an integrated luminosity of 2.7/fb. An event classification is performed to maximize signal significance and to studyspecific Higgs boson production modes. The observed significance for the standard model Higgs boson is 1.7 sigma, while a significance of 2.7 sigma is expected.Finally a feasibility study, having the aim of constraining the anomalous couplings of the Higgs boson to the vector bosons, is presented. This analysis is performed using the data collected at 8 TeV during Run1 at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 19.5/fb. This analysis exploits the production of the Higgs boson through vector boson fusion (VBF), with the Higgs decaying to 2 photons. The kinematic distributions of the dijet and diphoton systems, which depend from the spin-parity hypothesis, are used to build some discriminants able to discriminate between different spin-parity hypotheses. These discriminants allow to define different regions of the phase-space enriched with a certain spin-parity process. The Higgs boson signal yield is extracted in each region from a fit to the diphoton mass, allowing to determine the contributions of the different processes and then constrain the production of a pseudo-scalar (spin-parity 0-) Higgs boson.

Dans cette thèse, la mesure des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée. L'objectif de ce travail est l’étude du mode de production associé à une paire de quark top (tṫH). Ce mode représente le seul accès direct au couplage de Yukawa du quark top, un paramètre fondamental du Modèle Standard. Le mode de production tṫH est un processus très rare. Il est de l'ordre de deux ordres de grandeur plus petits que la production principale du boson de Higgs par fusion de gluons. À 13 TeV, le mode de production ttH est environ 4 fois plus grand qu'à 8 TeV. Cette thèse reprend les études réalisées à 8 TeV, où l’échantillon de données ne suffisait pas pour établir une observation de ce mode de production. Bien que le canal en deux photons ne soit pas celui qui présente le plus grand rapport de branchement (seulement 0,2%), il est très prometteur en raison de son excellente résolution en masse (1%). De plus, sa signature est très propre dans le détecteur. Le canal de désintégration en deux photons est particulièrement intéressant puisqu'il s'agit du seul canal permettant l'étude de tous les modes de production : la fusion de gluons, la fusion de bosons vecteurs, les productions associées avec des bosons W ou Z ou avec une paire de quarks top. Le document commence par une introduction théorique du Modèle Standard et la physique du boson de Higgs au LHC, suivie d'une description du détecteur CMS. Pour obtenir une excellente résolution de masse dans le canal de désintégration en deux photons , le calorimètre électromagnétique doit être calibré. Le système de monitorage de la transparence des cristaux du calorimètre électromagnétique de CMS par le système laser joue un rôle important dans la chaîne d'étalonnage et est décrit en détail. Sur le long terme, le système de monitorage laser devra être amélioré car le niveau de rayonnement influence son électronique. Je présente mon travail sur l'amélioration possible du système de monitorage laser, ainsi que l'étude de sa précision possible. L'analyse inclusive H → ᵞᵞ a eu plusieurs itérations pour les conférences en 2016 et 2017. La stratégie pour 2017 est décrite dans ce document. Une classification des événement sert à maximiser la significance du signal et à étudier les modes spécifiques de production du boson de Higgs. Mes contributions à l'analyse H → ᵞᵞ consistent en l'identification du vertex primaire, l'identification du photon et l'étude du mode de production tṫH. Chaque contribution est décrite en détail dans des chapitres dédiés. L'analyse tṫH, H → ᵞᵞ est présentée pour deux itérations en 2016 et 2017, en mettant l'accent sur les améliorations dans l'analyse de 2017. Enfin, les résultats de l'analyse inclusive et tṫH, H → ᵞᵞ, en utilisant l'ensemble complet de données 2016 correspondant à une luminosité intégrée de 35,9 fb-1, sont présentés. / In this thesis, the measurement of the Higgs boson properties in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The focus of this work is the tṫH production mode, as it is the only direct access to the top quark Yukawa coupling, a fundamental parameter of the Standard Model. tṫH is a very rare process, two orders of magnitude smaller than the dominant Higgs boson production by gluon fusion. At 13 TeV, ttH production is about 4 times larger than at 8 TeV. This thesis takes over the studies performed at 8 TeV, where the statistics was not enough for an observation of ttH. Despite a very small branching ratio (only about 0.2%), the two photons decay channel of the Higgs boson is very promising, because of its excellent mass resolution (about 1%). Moreover, its signature in the detector is very clear. The diphoton decay channel is also of particular interest as it is the only channel allowing the study of all production modes: gluon fusion, vector boson fusion, associated productions with a W or a Z bosons, or with a top quark pair.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and Higgs boson physics at LHC, followed by a description of the CMS detector. To achieve an excellent mass resolution in the H → ᵞᵞ channel, the electromagnetic calorimeter has to be calibrated. The laser monitoring system plays an important role in the calibration chain and it is described in details. On the long term, the laser monitoring system will have to be upgraded as level of radiation influences its electronics. I present my work on the possible upgrade of the laser monitoring system, along with the study of its possible precision.H → ᵞᵞ inclusive analysis had several iterations for conferences in 2016 and 2017. The strategy for 2017 is described in this document. An event classification is used to maximize the signal significance and to study specific Higgs boson production modes. My contributions to the H → ᵞᵞ analysis are primary vertex identification, photon identification and the study of the tṫH production mode. Each contribution is described in details in dedicated chapters. The tṫH, H → ᵞᵞ analysis is shown for two iterations in 2016 and 2017, with the emphasis on improvements in 2017 analysis. Finally, the results of the inclusive and tṫH, H → ᵞᵞ analysis, using the full 2016 dataset corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1, are shown.

Au LHC, l'un des buts essentiels à savoir était de trouver la dernière pièce manquante du modèle standard (MS), i.e. le boson de Higgs (H). La recherche fut couronnée de succès avec les données prises en 2012 et la découverte d'une nouvelle particule scalaire de masse ~126 GeV, se désintégrant en deux bosons (deux photons ou deux bosons électrofaibles ZZ or W+W-). Pour vérifier la compatibilité de la nouvelle particule avec les prédictions du MS, son couplage aux fermions devait être établi, ce qui motiva la recherche du Higgs dans le mode de désintégration en deux leptons taus ayant un rapport d'embranchement important. Dans ATLAS, cette analyse est divisée en trois canaux selon le mode de désintégration des leptons taus. Le travail présenté dans cette thèse concerne le canal “lepton-hadron”, où l'un des taus de l'état final se désintègre leptoniquement en un muon ou un electron, alors que l'autre se désintègre hadroniquement. Les canaux de l'analyse H→tau+ tau- sont caractérisés par de larges valeurs de l'énergie transverse manquante (MET) dans l'état final et adoptent la même technique pour identifier le lepton tau. Dans cette thèse, une contribution importante, mettant en relief l'amélioration obtenue avec une nouvelle MET, est montrée. En utilisant les traces chargées pour estimer la composante “molle” de MET dans les événements issus de collisions p-p, la sensibilité à l'empilement (pile-up), inévitable dans les collisionneurs hadroniques à haute luminosité, est bien réduite. Les erreurs systématiques associées à la composante molle ont été évaluées et leur dependence sur les conditions de pile-up et de modélisation de l'événement a été étudiée pour différentes définitions de MET. Ceci contribuera à améliorer les futures analyses H→tau+ tau-. Dans l'analyse “lepton-hadron”, le bruit de fond dominant provient des événements dont un jet de hadrons est mal identifié comme un tau se désintégrant hadroniquement (“fake tau”). Le travail discuté montre en détail l'estimation de ce bruit de fond pour les deux configurations les plus sensibles aux événements de signal H, i.e. les événements produits avec un Higgs bien boosté ou ceux produits par fusion de deux bosons vecteurs (mode VBF). L'état final de ces derniers est caractérisé par deux jets bien séparés en pseudorapidité, répartis sur les deux hemisphères, produits en association avec les produits de désintégration du H. Enfin, cette thèse rapporte une dernière contribution utilisant la théorie effective des champs pour la production du boson de Higgs et pour estimer les couplages de ce dernier (HEFT), et explorer la nouvelle physique au delà du MS de façon indépendante du modèle théorique. Le travail consiste à tester et valider le modèle “tauDecay” dans le cadre d'une caractérisation du Higgs utilisant HEFT au sein de Madgraph5_aMC@NLO. Après avoir écrit un outil permettant de fusionner les fichiers de production et de désintégration du Higgs (utile surtout en travaillant avec une précision au niveau NLO), la validation du modèle a été faite de 3 façons indépendantes: avec la génération d' événements au niveau d'éléments de matrice directement, avec l'outil créé et en désintégrant les taus avec MadSpin. Ce nouvel outil est prêt à être utilisé durant le Run-II du LHC. / In the LHC project, one of the major goals was the search for the last missing piece of the standard model (SM), namely the Higgs boson (H). The quest was successful during the Run I data taking in 2012 with the discovery of a new scalar of mass ~126 GeV, compatible with the SM Higgs boson, and decaying to two bosons (either two photons or two electroweak vector bosons ZZ or W+W-). To complete the picture, one needed to establish the couplings of the new particle to fermions. This motivated the search for the decay mode into two tau leptons predicted with a high branching ratio.Inside the ATLAS collaboration, the analysis was divided into three channels according to the decay modes of the tau pair. The work reported in this Ph.D describes the “ lepton-hadron ” analysis where one tau lepton decays leptonically into an electron or a muon and the other decays hadronically. Common features of all three analyses are the identification of the tau lepton and the presence of large missing transverse energy (MET) due to the escaping neutrinos from the tau decays. An important contribution reported in this dissertation concerns the improvement brought by a new MET determination. By using charged tracks to estimate the contribution of the soft energy component produced in the proton-proton collision, the sensitivity to the overlayed events (“ pile-up ”), unavoidable in a high luminosity hadron collider, is very much reduced. The systematic uncertainties associated to this soft component were estimated, their dependence on physics modeling and pile-up conditions studied for various track-based MET definitions. It will contribute to an improved H→tau+ tau- analysis with future data.In the lepton-hadron H analysis, the dominant background comes from events where a hadronic jet is misidentified as a hadronic tau (“ fake-tau ”). The work reports in detail how this fake-tau background has been estimated in the two most sensitive event configurations predicted for the H signal i.e. events where the H boson is highly boosted or produced by fusion of vector bosons (VBF); VBF events are characterized by two forward and backward jets in addition to the H decay products.Finally, the thesis reports on a last contribution performed with the Higgs Effective Field Theory (HEFT) to study the H couplings and probe new physics beyond SM in a model independent way. The work consisted in testing and validating the “TauDecay” model in association with the Higgs characterization framework in Madgraph5_aMC@NLO. After implementing a tool to merge H production and decay in a single step (especially useful with NLO requirements), the validation was done in three different ways: direct matrix element generation, with the implemented merging tool and using MadSpin to decay taus. The combined package is ready for use in the LHC Run II context.

Une recherche du boson de Higgs du Modèle Standard produit en association avec un boson W ou Z et se désintégrant en une paire quark-antiquark b a été effectuée avec le détecteur ATLAS. Les données de collisions proton-proton utilisées ont été accumulées durant le Run 2 du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, et correspondent à une luminosité intégrée de 79.8 fb⁻¹. Trois canaux contenant zéro, un ou deux leptons chargés (électrons ou muons) sont considérés, correspondant à chacune des désintégrations leptoniques d'un boson W ou Z: Z->vv, W->lv et Z->ll. Pour un boson de Higgs de masse 125 GeV, un excès d'événements par rapport aux bruits de fonds des autres processus du Modèle Standard est observé avec un niveau de signification statistique de 4.9 déviations standard, à comparer à 4.3 attendues. Le rapport du nombre d'événements observé au nombre attendu est mesuré être 1.16 +0.27/-0.25 = 1.16 +/-0.16(stat) +0.21/-0.19(syst). Ce résultat est combiné avec d'autres d'ATLAS sur la recherche du boson de Higgs se désintégrant dans le mode bbbar, utilisant des données du Run 1 et du Run 2. Le niveau de signification mesuré (attendu) pour ce mode de désintégraion est de 5.4 (5.5) déviations standard, ce qui en constitue la première observation directe. De plus, une combinaison des résultats du Run 2 sur la recherche de la production associée du boson de Higgs et d'un boson W ou Z conduit à un niveau de signification observé (attendu) de 5.3 (4.8) déviations standard, et donc à la première observation de ce mode de production. / A search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a W or Z boson, and decaying to a bb pair has been performed with ATLAS detector. The data were collected in proton-proton collisions during Run 2 of the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 79.8 fb⁻¹. Three channels containing zero, one and two charged leptons (electrons or muons) have been considered to target each of the leptonic decays of the W or Z boson, Z->vv, W->lv et Z->ll, referred to as as the 0-lepton, 1-lepton and 2-lepton channels, respectively. For a Higgs boson mass of 125 GeV, an excess of events over the expected background from other Standard Model processes is found with an observed significance of 4.9 standard deviations, compared to an expectation of 4.3 standard deviations. The ratio of the measured signal events to the Standard Model expectation equal 1.16 +0.27/-0.25 = 1.16 +/-0.16(stat) +0.21/-0.19(syst). The result is also combined with the other results from the searches for the Higgs boson in the bb 18 decay mode in Run 1 and Run 2, the combination yields an observed (expected) significance of 5.4 (5.5) 20 standard deviations, and therefore provides a direct observation of the Higgs boson decay into a bb pair. In addition, a combination of Run 2 results searching for the Higgs boson produced in association with a W or Z boson yields an observed (expected) significance of 5.3 (4.8) standard deviations, and therefore provides a direct observation of Higgs boson being produced in association with a W or Z boson.

Cette thèse présente une recherche de la production de paires de bosons de Higgs en utilisant les données des collision proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec les détecteur CMS auprès du LHC du CERN. Les évènements avec les deux boson de Higgs se désintégrant en une paire de quark b et de leptons tau (HH -> bb tau+tau-) sont utilisés pour l’exploration des mécanismes de production résonante et non-résonante.La mesure de la production de HH est expérimentalement difficile à cause de la petite section efficace prévue par le modèle standard de la physique des particules. Sa recherche est néanmoins motivée par les informations qu’elle peut révéler sur la nature de la brisure de la symétrie électrofaible. La production de HH donne accès à l’auto-couplage trilineaire du boson de Higgs et, par conséquent, à la forme du potentiel scalaire. En plus, elle est sensible à la présence de physique au-délà du modèle standard. La présence de nouvelles résonances se désintégrant en HH et de couplages anormales du boson de Higgs sont étudiées dans ce travail.Les leptons tau ont un rôle de premier plan dans cette recherche et un effort important a été consacré à l’amélioration de leur efficacité de sélection par le système de déclenchement de l’expérience CMS. En particulier, le déclenchement de premier niveau (L1) a été amélioré pour faire face aux nouvelles conditions des collisions du Run II du LHC, marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse et de la luminosité instantanée. Ce nouveau système de déclenchement permet de développer un algorithme spécifique pour la reconstruction des leptons tau se désintégrant en hadrons (tauh) et un neutrino.Cet algorithme se fonde une technique avancée de regroupement dynamique de l’énergie et utilise des critères dédiés pour la réjection du bruit de fond. Le développement, l’implementation, et la vérification de son fonctionnement pour le redémarrage du LHC sont présentés ici. La performance de l’algorithme est initialement évaluée grâce à une simulation et puis mesurée avec les données de l’expérience CMS. Son excellente performance est un element essentiel dans la recherche de la production de HH.L’investigation du processus HH -> bb tau+tau- utilise les trois canaux de désintégration du système tau+tau- avec au moins un tauh dans l’état final. La sélections et categorisation des évènements sont conçues pour optimiser la sensibilité de la recherche, et des techniques d’analyse multivariés sont mises en place pour distinguer le signal du bruit de fond.Les résultats sont présentés en utilisant une luminosité intégrée de 35.9 fb-1. Ils sont compatibles, dans les incertitudes expérimentales, avec les prédictions du modèle standard pour les bruits de fond. Des limites supérieures à la production résonante de HH sont évaluées et interprétées dans le contexte du modèle standard supersymmétrique minimal. Les limites supérieures à la production non-résonante permettent de contraindre l’espace des paramètres des couplages anormales du boson de Higgs. Les limites supérieures observées et attendues correspondent respectivement à environ 30 et 25 fois la prédiction du modèle standard. Ils représentent l’un des résultats les plus sensibles à la production de HH atteint jusqu'à présent au LHC.Les perspectives pour l‘observation de la production de HH au LHC sont enfin discutées. Les résultats précédemment obtenus sont extrapolés à une luminosité intégrée de 3000 fb-1 sous des différentes assomptions pour la performance du détecteur et de l’analyse. / This thesis describes a search for Higgs boson pair (HH) production using proton-proton collision data collected at sqrt(s) = 13 TeV with the CMS experiment at the CERN LHC. Events with one Higgs boson decaying into two bottom quarks and the other decaying into two tau leptons (HH -> bb tau+tau-) are explored to investigate both resonant and nonresonant production mechanisms. The measurement of HH production is experimentally challenging because of the tiny cross section predicted by the standard model of particle physics (SM). However, this process can reveal invaluable information on the nature of electroweak symmetry breaking by giving access to the Higgs boson trilinear self-coupling and, consequently, to the shape of the scalar potential itself. Moreover, HH production is sensitive to the presence of physics beyond the SM. Both the presence of new states decaying to HH and of anomalous Higgs boson couplings are investigated in this work.Tau leptons have a key role in this search and considerable effort has been devoted to ensure a high efficiency in their selection by the trigger system of the CMS experiment. In particular, the CMS Level-1 (L1) trigger was upgraded to face the increase in the centre-of-mass energy and instantaneous luminosity conditions expected for the LHC Run II operations. The upgrade opened up the possibility to develop an efficient and dedicated algorithm to reconstruct tau leptons decaying to hadrons (tauh) and a neutrino.The tau algorithm implements a sophisticated dynamic energy clustering technique and dedicated background rejection criteria. Its development, optimisation, implementation, and commissioning for the LHC restart are presented. The algorithm performance is initially demonstrated using a simulation and subsequently measured with the data collected with the CMS experiment. The excellent performance achieved is an essential element of the search for HH production.The investigation of the HH -> bb tau+tau- process explores the three decay modes of the tau+tau- system with at least one tauh object in the final state. A dedicated event selection and categorisation is developed and optimised to enhance the sensitivity, and multivariate techniques are applied for the first time to these final states to separate the signal from the background.Results are derived using an integrated luminosity of 35.9 fb-1. They are found to be consistent, within uncertainties, with the SM background predictions. Upper limits on resonant production are set and interpreted in the context of the minimal supersymmetric standard model. Upper limits on nonresonant production constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed and expected upper limit are about 30 and 25 times the SM prediction, respectively, corresponding to one of the most stringent limits set so far at the LHC.Finally, prospects for future measurements of HH production at the LHC are evaluated by extrapolating the current results to an integrated luminosity of 3000 fb-1 under different detector and analysis performance scenarios.