The Standard Model of particle physics is currently the most complete theory of subatomic particles. The discovery of the Higgs boson with a mass of 125 GeV in 2012 further validated the Standard Model, providing evidence for the theory that vector bosons obtain non-zero masses through the Higgs mechanism. Studies are ongoing to determine the exact nature and properties of the Higgs boson. A Higgs boson of this mass is predicted to decay to a pair of b-b quarks with a branching ratio of 58%, however this decay mode has not yet been observed. This thesis presents a search for the associated production of a Higgs boson with a leptonically decaying W boson, WH → ℓvb-b, using 20.3 fb-1 of Run 1 data collected by ATLAS at the LHC from pp collisions at a centre-of-mass energy of ps = 8 TeV. The observed (expected) significance of a Higgs boson with a mass of 125 GeV for the WH → ℓvb-b process is found to be 2:7σ (1:3σ). The measured cross section in units of the expected Standard Model cross section has a best-fit value of μ = μ/μSM = 2:2+0:67-0:64(stat:)+0:7-0:59(syst:) = 2:2+0:97-0:87. The results are combined with the search for ZH → v-vb-b and ZH → ℓ+ℓ-b-b to provide a best-fit value of μ = μ/μSM = 1:1+0:61-0:56. The start of Run 2 of the LHC in 2015 saw the collision energy being raised to √s = 13 TeV, increasing the probability of particles being produced with a large momentum boost. At these high energies there is also a possibility to discover new particles and interactions. An extension of the Standard Model, the Heavy Vector Triplet (HVT) model, describes new heavy vector bosons W¹ and Z¹, which can decay to pairs of heavy bosons (W, Z or Higgs bosons). If the W0 and Z0 bosons are sufficiently heavy, the hadronic decays of the diboson final states produce boosted jets. In this thesis, methods for identifying hadronically decaying boosted bosons are developed, based on techniques that examine the internal substructure of the jet. Multiple substructure variables are combined into a single discriminant using two machine learning techniques: boosted decision trees and deep neural networks. Simulated events of W¹→WZ → q-qq-q are used to develop these boosted W boson taggers. An improvement in the background rejection power, whilst keeping 50% of the signal, over previous boosted W boson taggers of up to 13%-when using deep neural networks-and 36%-when using boosted decision trees-is obtained. The performance of the new boosted W boson taggers are evaluated in a search for a narrow WW resonances from the decay of a Z¹ with boson-tagged jets in 3.2 fb-1 of pp collisions at √s = 13 TeV collected with the ATLAS detector.

Le travail scientifique présenté dans cette thèse s’appuie sur des collisions proton proton, à 13 TeV dans le centre de masse, produite par le grand collisionneur de Hadron (LHC) et enregistrées entre 2015 et 2017 par le détecteur ATLAS. Après une brève introduction sur le programme de physique du LHC, le premier chapitre donne un aperçu complet du contexte et des motivations théorique. Ensuite une description complète du détecteur ATLAS et plus généralement de l’ensemble expérimental est donnée. Le troisième chapitre traite d’une des mesures des performances du calorimètre électromagnétique ATLAS, à savoir l’étude des efficacités identification électronique à l’aide de W se désintégrant en électrons et neutrinos.Dans les chapitres suivants, le coeur de cette thèse, la recherche et l’étude de la production associée de boson de Higgs avec une paire de quark top, appelée production ttH, est traitée dans le schéma du modèle Standard et au-delà. L’observation de la production ttH avec le détecteur ATLAS a été récemment annoncée en 2018 et représente une étape importante pour le domaine de la physique des hautes énergies. Afin d’élargir le spectre de cette analyse tth au-delà du SM, cet état final du canal 4L a aussi été étudié dans le cadre de la recherche de bosons de Higgs doublement chargés se désintégrant en W$^{\pm}$W$^{\pm}$, H$^{\pm \pm} \rightarrow $ W$^{\pm}$W$^{\pm}$. En conclusions, les perspectives sur les futurs résultats scientifiques dans le modèle Standard (SM) ainsi que au-delà de SM (BSM) qui pourraient être atteint en utilisant les statistiques complètes des Run1 et Run2 combinés sont donnés. / The scientific work presented in this thesis is based on proton proton collision produced, at 13 TeV in the center of mass, created by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded between 2015 and 2017 by the ATLAS detector.After a short introduction on the physics program at LHC, the first chapter gives a comprehensive overview of the theoretical context and motivation. Then a complete description of the ATLAS detector and more generally the experimental setup is given with a highlight on the different physics objects used in this research.The third chapter is dealing with a measure of the performances of the ATLAS electromagnetic calorimeter, namely the study of the electron identification efficiencies using W decaying into electrons and neutrinos events.In the following chapters, the core of this thesis work, the search and study of the associated Higgs boson production with top quark pair, so-called ttH production, within the Standard Model schema and beyond is treated. The observation for ttH production with the ATLAS detector recently announced in 2018 represents a significant milestone for the High-Energy Physics field. In order to broaden the spectrum of this ttH analysis beyond the SM, this 4L channel final states was also studied in the context of the search for doubly charged Higgs boson decaying into W±W±, H±±→W±W±.In conclusions, future prospects in Standard Model (SM) as well as Beyond SM (BSM) scientific results that could be reached using the full Run1 and Run2 combined available statistics are given.

L’étude des propriétés du boson de Higgs représente une excellente opportunité pour la recherche de Nouvelle Physique. En particulier, sa masse est mesurée avec une précision impressionnante, de l’ordre de 0.1%, tandis qu’elle est aussi prédite par certains modèles au-delà du Modèle Standard, notamment les modèles supersymétriques. Le but de cette thèse est de faire avancer le calcul des corrections radiatives aux masses des scalaires dans les modèles au-delà du Modèle Standard, ainsi que l’automatisation de ces calculs, afin d’établir ou d’améliorer les limites sur les couplages entre la Nouvelle Physique et le boson de Higgs. Nous calculons d’abord les corrections dominantes à deux boucles, de la forme O(alpha_s alpha_t), aux masses des scalaires neutres dans les modèles supersymétriques à jauginos de Dirac. Ensuite, nous montrons comment surmonter la Catastrophe des Bosons de Goldstone, un cas de divergences infrarouges dues aux bosons de Goldstones de masses nulles qui affecte les calculs de potentiels effectifs, d’équations « tadpoles » et d’énergies propres, en adoptant un schéma de renormalisation « on-shell » pour les masses des bosons de Goldstone. Nous illustrons la mise en œuvre numérique de notre solution dans le programme SARAH, et finalement, nous considérons le comportement aux hautes énergies de modèles non-supersymétriques avec des secteurs scalaires étendus. / The Standard Model-like Higgs boson provides an excellent setting for the indirect search of New Physics, through the study of its properties. In particular its mass is now measured with an astonishing precision, of the order of 0.1%, while being predicted in some models of Beyond the Standard Model (BSM) Physics, such as supersymmetric (SUSY) models. The main purpose of this thesis is to push further the calculation of radiative corrections to Higgs boson masses in BSM models, as well as the automation of these calculations, in order to set or improve constraints on New Physics coupling to the Higgs boson. A first chapter is devoted to the computation of the leading two-loop O (alpha_s alpha_t) corrections to neutral scalar masses in SUSY models with Dirac gauginos. Then, we show to address the Goldstone Boson Catastrophe -- a case of infra-red divergences due to massless Goldstone bosons that plague the calculation of effective potentials, tadpole equations, and self-energies -- in the context of general renormalisable field theories, by adopting an on-shell renormalisation scheme for the Goldstone masses. Afterwards, we illustrate the numerical implementation of our solution to the Goldstone Boson Catastrophe in the public tool SARAH. Finally, in a last chapter, we consider the high-scale behaviour of non-supersymmetric models with extended Higgs sectors.

Le but de cette thèse est d'évaluer le potentiel de découverte par le détecteur ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) du boson de Higgs du modèle standard. Le mode de production etudié est défini par la fusion de bosons vecteurs (VBF) suivie de la désintégration en une paire de leptons τ (H → τ ^+ τ ^−). C'est l'un des canaux de découverte les plus prometteurs pour un boson de Higgs de basse masse, qui est favorisé par les mesures de précision dans le secteur électro-faible. Deux modes de désintégration ont été étudiés: celui où les deux leptons τ se d´esintègrent en lepton et celui où un lepton τ se désintègre en lepton et l'autre en hadron. La topologie caractéristique de fusion de bosons vecteurs, qui est constituée des deux jets vers l'avant du détecteur et des produits de désintégration de boson de Higgs dans la région centrale, fournit une signature unique permettant la suppression du bruit de fond. En outre, puisque la fusion des bosons vecteurs est un processus purement électro-faible, aucune activité de QCD n'est prévue et donc aucun jet central n'est attendu pour des événements de signal. Ceci permet l'application de la coupure de “central jet veto” pour encore réduire le bruit de fond. Une analyse basée sur des coupures a été utilisée, se concentrant sur l'optimisation de la coupure de “central jet veto”. L'objectif principal était d'étudier le potentiel de découverte du boson de Higgs avec ATLAS, sous une luminosité intégrée de 30 fb^−1 dans la gamme de masse 115 GeV≤ m_H ≤140 GeV, pour une énergie au centre de la masse √s=14 TeV. Après l'application des coupures, un excès au-dessus de 5σ de signal significance a été trouvé pour la gamme de masse 115 GeV ≤ m_H ≤125 GeV. Dans le canal de désintégration H → τ^ + τ ^ −, la résolution de l'énergie transverse manquante ( E_T ) est importante puisqu'elle affecte directement la résolution sur la masse du boson de Higgs. Cela a été la motivation initiale pour réaliser et présenter dans cette thèse une étude de “commissioning” calorimétrique basé sur les quantités E_T , plus particulièrement sur la contribution du bruit de l'électronique, mesurée dans des événements cosmiques enregistrés pendant l'automne 2008. Un comportement gaussien de bruit dans tous les calorimètres de l'argon liquide a été trouvé, tandis qu'un comportement non-gaussien dans une partie du calorimètre à tuile scintillante a été observé. Pour ce dernier, un nouveau modèle de bruit a été examiné utilisant une paramétrisation de double gaussienne ayant pour résultat une description plus réaliste. En conclusion, cette analyse a fourni un outil de “commissioning” du calorimètre, qui a permis l'observation et la correction de plusieurs effets dans le comportement des calorimètres d'ATLAS.

L'électronique frontale (VFE) traitant les signaux des photodétecteurs du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS a été soumise à un programme étendu de tests pour garantir leur fonctionnalité et fiabilité. Le système de calibration et de caractérisation précise des ~16000 VFE a été développé et utilisé à IPN Lyon pour contrôler leur qualité et mesurer les constantes de calibration qui serviront au démarrage du calorimètre complet. <br />En outre, l'évaluation et l'optimisation précises des performances de l'électronique de lecture ont été obtenues avec des données réelles au cours de tests sur des faisceaux de particules au CERN. <br />Les résultats obtenus sur bancs de tests en laboratoire ou en faisceau confirment l'excellente qualité de la production des cartes électroniques et prouvent que les spécifications du calorimètre ont été atteintes.

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.

One of the goals of the LHC is to test the existence of the Higgs Boson. This thesis presents a study of the potential to discover the Standard Model Higgs boson in the vector boson fusion (VBF) channel for the Higgs mass range 120-200 GeV/c2. The decay of Higgs bosons into WW* final state with both W-bosons decaying leptonically is considered. The main backgrounds are tt_+j and W+W-jj. This study, based on a full simulation of the CMS detector at the LHC, shows that a 5(Sigma) discovery can be done with an integrated luminosity of 12-72 fb-1 for 130-200 GeV/c2 Higgs bosons. Due to the uncertainties in the backgrounds, it is important to measure the backgrounds from data. This study shows that the major background can be measured directly to 7% with 30 fb-1. After discovering the Higgs boson mass using transverse mass template distributions is investigated in the VBF channel. The performance of the combined CMS electromagnetic and hadronic calorimeters (EB+HB) was measured at the H2 test beam at the CERN SPS during 2006 with various partivles in a large momentum range, 1-350 GeV/c. Another major contribution of this thesis is developing the method to optimize the energy reconstruction for the combined EB+HB system with which the corrected responses become 100% with 6% fluctuation and the stochastic resolution is improved from 111% to 94%.

Die Arbeit beschreibt die Messung des Wirkungsquerschnittes für die Produktion von Jets in Ereignissen mit Z-Bosonen in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV mit einer integrierten Luminosität von ∫Ldt = 36 pb−1 und ∫Ldt = 4.6 fb−1 aufgenommen mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider in Genf. Die inklusiven und differenziellen Wirkungsquerschnitte für Z (→ e+ e−) + jets werden für Jets mit einem Transversalimpuls von pT(jet) > 30 GeV und einer Rapidität von |y(jet)| < 4.4 gemessen. Die Datensätze erlauben Messungen in vorher nicht zugänglichen Phasenraumregionen und können genutzt werden, um die Modellierungen von Z/γ∗ + jets in typischen Phasenraumregionen, die vom Zerfall des Higgs Bosons oder Suchen nach neuer Physik erwarten werden, zu testen. Die Ergebnisse werden auf Partonlevel entfaltet und mit Vorhersagen verschiedener Monte-Carlo Generatoren und Vorhersagen der perturbativen QCD in nächst-führender Ordnung verglichen.

Le détecteur ATLAS est un expérience généraliste placé auprès du collisionneur proton-proton circulaire de 27 Km de circonférence, LHC. Le LHC est conçu pour produire des collisions avec une énergie nominale au centre de masse de l'ordre de 14 TeV et une luminosité instantané de 1034cm-2s-1.Il donne accès à des processus à l'échelle du TeV. En 2010 et 2011 le LHC a fournit des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV donnant la possibilité d'enregistrer plus de 5 fb-1 de données. En 2012 le LHC a ensuite fournit des collisions avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La présente thèse traite de la mesure de la section efficace de production des paires de quarks top anti-top dans le mode de désintégration complètement hadronique utilisant les données enregistrées par l'expérience ATLAS en 2011 avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 4.7 fb-1. Le canal complètement hadronique a l'avantage d'être caractérisé par un rapport d'embranchement de 46%. Il souffre par contre d'un bruit de fond multi-jet QCD élevé. Le principal bruit de fond pour la production des paires des quark top-antitop est dû aux processus QCD avec au mois six de quarks/gluons dans l'état final. Ce bruit de fond n'est malheureusement pas bien connu et donc difficile à reproduire par simulation Monté-Carlo. Il est estimé à partir des données. La section efficace ainsi mesuré est 168±12 (stat.) +60/-57(syst.) ± 7 (lum.) pb. La deuxième analyse présentée dans la cette thèse se focalise sur la recherche du boson du Higgs produit en association avec une paire de quark top, où le boson de Higgs se désintégré en paires de quarks b, et le système top-anti-top se désintégrant dans le canal complètement hadronique. L'analyse est effectuée sur les mémés données utilisées par la mesure de la section efficace top-anti top. Deux bruits de fond principaux peuvent être distingués: la production des paires de quarks top avec la présence des jets supplémentaires et la production QCD. Le premier bruit de fond est estimé en utilisant le modelé Monté-Carlo différenciant la production de jets légers des jets lourds. Le deuxième bruit de fond est estimé avec les données. Le but de cette étude est de montrer le potentiel du canal complètement hadronique en regardant le signal sur la racine du bruit du fond dans les régions de signal et en faisant une comparaison avec les résultats publics présentés par l'ATLAS dans le canal semileptonic.

On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z' portal.