Ce travail porte sur une étude expérimentale et théorique des propriétés optiques de puits quantiques contraints GaInAsN/GaAs élaborés par épitaxie sous jets moléculaires. Les transitions interbandes du puit GaInAsN sont étudiés par photoluminescence et absorption optique traitée thermiquement. Les energies correspodantes sont calculées grâce à un modèle k.p. à 10 bandes traitant simultanément la contrainte et le couplage entre états électroniques de l'azote et de la bande de conduction de GaInAs. Le décalage des bandes de conduction contraint GaInAsN/GaAs et de la masse effective des porteurs sont déterminés. La force d'oscillateur et l'élargissement inhomogène des excitons ainsi que le coefficient d'absorption des puits sont extraits des spectres. Un recuit provoque un décalage vers le bleu des energies de transition, qui résulte de l'interdiffusion In/Ga et du réarrangement local autour de l'azote. Cette réorganisation atomique conduit à une diminution du couplage de l'azote avec la bande de conduction.

Cette thèse présente l'état de la recherche de particules supersymétriques dans le cadre spécifique du modèle mSUGRA au LHC avec le détecteur Atlas. Elle est basée sur les données prises entre 2010 et 2011 et présente aussi certains aspects du travail réalisé en amont par la collaboration pour obtenir ces résultats.

Les paramètres les plus importants décrivant les performances d'un collisionneur de particules sont l'énergie et la luminosité. Les hautes énergies permettent aux expériences de physique des particules d' étudier de nouveaux effets. La luminosité décrit la capacité du collisionneur à produire le nombre requis d'interactions utiles ou événements. Le Large Hadron Collider (Grand Collisionneur de Hadron) ou LHC a été conçu pour produire des collisions proton proton à une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. Cette énergie est la plus haute jamais atteinte jusqu'alors dans un accélérateur de particules. Les connaissances et la compréhension de la physique des particules à de telles énergies sont basées sur des simulations et des prédictions théoriques. Contrairement aux collisionneurs électron positron pour lesquels la section efficace de diffusion de Bhabba peut être précisément calculée et utilisée pour calibrer la luminosité, il n'existe pas de processus ayant une section efficace bien connu et un taux de production suffisant pour être utilisé afin de calibrer la luminosité durant les premières années d'opération du LHC. La luminosité peut aussi être exprimée en fonction du nombre de charges par faisceau et leur taille au point d'interaction. Il est donc possible d'utiliser cette propriété afin de déterminer la luminosité à partir des paramètres machine. La détermination de la luminosité absolue a partir des paramètres machine est une méthode alternative à celle utilisant les sections efficaces et offre des informations complémentaires au modèle de fragmentation. Pour le LHC, il a été proposé d'utiliser la méthode développée par S. Van Der Meer à ISR afin d'offrir une calibration de la luminosité aux expériences de physique des particules durant les premières années d'opération. Cette thèse décrit comment cette méthodea été implémentée et utilisée pour la première fois au LHC afin d'optimiser et de calibrer la luminosité. Des études complémentaires d'optique linéaire et de dynamique faisceau ainsi que des mesures faites pour le collisionneur RHIC sont aussi décrites. Cette étude commence par un chapitre introductif qui reprend les notions de physique des accélérateurs nécessaire à la compréhension des chapitres suivants. Les équations décrivant les mouvements des particules dans un accélérateur circulaire sont rappelées ainsi que les principes de base d'optique linéaire. Des grandeurs caractéristiques du faisceau et de la machine telles que l'émittance ou le tune sont définies. Une brève introduction aux effets faisceau-faisceau est aussi présentée ces derniers étant inhérent aux collisionneurs de particules. Une description plus détaillée du concept de luminosité est donnée. Les équations générales de luminosité en présence d'effets tel qu'un angle de croisement sont dérivées. Enfin différentes méthodes permettant de déterminer la luminosité absolue sont présentées et le choix de la méthode de Van Der Meer pour les premiéres années d'opérations du LHC est expliqué. Le second chapitre se concentre sur la méthode de Van Der Meer. Le principe développé par S. Van Der Meer est décrit et plus particulièrement comment cette méthode offre une mesure directe de l'intégrale de recouvrement, décrivant la région d'interaction des deux faisceaux, sans avoir besoin de connaître les distributions initiales des faisceaux. L'impact des différents effets présentés dans le chapitre1 sur la précision de la mesure sont étudiés analytiquement afin de déterminer les paramètres faisceau optimaux pour une mesure de la luminosité absolue. Enfin une estimation de l'erreur sur la détermination de la luminosité basée sur des études numériques et les spécifications des instruments utilisés durant cette mesure est donnée. Le chapitre 3 présente le LHC et comment les principaux paramètres faisceau ont été choisis afin de délivrer une luminosité de 1034 cm−2 s−1 aux expériences ATLAS et CMS. Quelques dates clé de la mise en route du LHC sont rappelées afin de justifier l'orientation de certaines études présentées dans cette thèse et comment il a été nécessaire de s'adapter au changement de programme de mise en marche du LHC. Les différentes étapes permettant d'accélérer et de mettre les faisceaux en collision à partir de l'injection sont brièvement décrites. Dans le cadre de cette thèse des études concernant plus particulièrement la mise en collision des faisceaux dans le LHC. Des simulations de l'impact sur l'orbite des effets d'hystérésis présents dans les aimants permettant de déplacer les faisceaux au point d'interaction ainsi que la manière dont ceux-ci sont utilisés pour générer l'angle de croisement, la séparation ou l'optimisation des collisions sont décrites. Lors de la mise en collision des faisceaux de nombreux effets liés à la dynamique faisceau et plus particulièrement aux effets faisceau-faisceau entrent en jeux. Des simulations permettant de modéliser ces effets et de comprendre leur impact sur l' émittance ont été réalisées et seront aussi décrites dans ce chapitre. Le chapitre 4 donne une description des divers instruments utilisés lors de l'analyse des données permettant de déterminer la luminosité absolue. En principe, seules les mesures de courant sont nécessaires pour déterminer la luminosité. Des informations complémentaires et qui se sont révélées très utiles par la suite ont été données par d'autre instruments tel que les wire-scanner permettant de mesurer l' émittance ou les BPM permettant déterminer la trajectoire des faisceaux le long de l'anneau. Ces instruments sont donc aussi décrits dans ce chapitre. Enfin, le LHC est équipé de moniteurs de luminosité donc le but est de fournir des signaux robustes grâce auxquels il est possible d'optimiser la luminosité. Ce chapitre se termine donc sur une description détaillée de ces moniteur de luminosité et les simulations qui ont été faites a l'aide du logiciel FLUKA afin de déterminer les performances et l'efficacité de ces moniteurs à haute énergie. Le chapitre 5 présente les résultats des mesures effectuées sur le collisionneur RHIC (relativistic ion collider). Ces mesures ont été effectuées en 2009 alors que le LHC était stoppé suite à l'incident de Septembre 2008. RHIC présente certaines caractéristiques communes au LHC et représente donc un excellent test pour les futures mesures au LHC. La calibration de la luminosité par la méthode de Van Der Meer est aussi utilisée à RHIC, une collaboration avec ce laboratoire a donc été mise en place afin de profiter de l'expérience acquise par le passé dans ce laboratoire. Malgré certains paramètres faisceaux non optimisées pour une mesure de précision de la luminosité absolue il a été possible de déterminer celle-ci avec une précision de 7% dominée par l'erreur sur les mesures de courant et la détermination du déplacement des faisceaux. Une étude détaillée des différentes sources d'erreur ainsi que des propositions pour les réduire lors de futures mesures sont présentées. Les faisceaux du collisionneur RHIC ont un courant élevé ce qui n'est pas optimal pour la détermination de la luminosité absolue mais a permis d'observer certains effets faisceau-faisceau qui n'avaient pas été observé par le passé à RHIC et présentent donc un résultat très intéressant de ce chapitre. Le chapitre 7 présente les résultats obtenus en 2010 au LHC. L'année 2010 a été une année de beaucoup de premères pour le LHC auxquelles j'ai eu la chance de participer. J'ai notamment été impliqué dans l'établissement des premères collisions, les premières optimisations de luminosité. Ces trois contributions sont décrites dans ce chapitre ainsi que les outils développés afin de réaliser ces mesures et plus particulièrement le logiciel d'optimisation et de calibration de la luminosité qui est décrit plus en d étail dans les annexes. Enfin l'année 2010 a aussi vu la première calibration de la luminosité utilisant la méthode de Van Der Meer à 3.5TeV. Le protocole de la méthode est présenté ainsi qu'une étude détaillée des erreurs systématiques associées a cette méhode. Ces premières mesures ont permis de déterminer la luminosité avec une précision de 11% largement dominée par les mesures de courant des faisceaux. Pour terminer, des propositions pour améliorer la précision des futures mesures sont présentées. Le dernier chapitre de cette thèse présente des travaux effectués sur les optiques de beta élevés. Ces optiques ont été développées pour les expériences TOTEM et ATLAS et permettront de mesurer précisément les angles de diffusion élastiques des interactions proton-proton et ainsi déterminer leur section efficace. Cette méthode présente un alternative a la méthode de Van Der Meer et devrait en principe donner une mesure de section efficace avec une précision de quelques pour cents. Ces optiques étant très difficiles ils ne pourront pas être mis en place avant que le LHC atteigne son énergie nominale de 7TeV par faisceau. Des optiques intermédiaires ont donc aussi été développées et sont présentées brièvement dans ce dernier chapitre.

Ce document résume les travaux de développements du framework et des algorithmes de reconstruction pour le détecteur ATLAS au LHC. Une riche bibliothèque d'algorithmes de reconstruction a été développée, dans un environnement qui s'est peu à peu complexifié. Le code de reconstruction, initialement conçu sur une simulation Monte-Carlo plutôt optimiste, est en train d'être confronté au réalisme d'une simulation fidèle à la construction effective du détecteur. Le ≪Petit Higgs≫ est une théorie effective qui peut être prise au premier degré, ou bien comme prétexte à l'étude de résonances lourdes. Dans plusieurs cas ces résonances peuvent effectivement être détectées, dans des canaux originaux comme tZ, ZH ou WH.

Cette thèse a pour objet l'étude de la désintégration du boson de Higgs dans le canal en H → Z Z^(∗) → 4e dans le détecteur ATLAS. Cette étude a commencé alors que le LHC n'était pas en fonctionnement et a donc porté principalement sur des simulations. Il est apparu rapidement qu'un des enjeux était les performances de reconstruction et d'identification des électrons. Ce travail porte donc principalement sur l'étude de la reconstruction des électrons, tout d'abord sur l'évaluation de l'impact de certains effets liés au rayonnement bremsstrahlung, puis sur l'amélioration de la reconstruction, et enfin sur l'optimisation de l'identification. Une optimisation des coupures d'identification des électrons a été effec- tuée afin de les rendre plus robustes et en harmonie avec le système de déclenchement, en prévision des premières données du LHC à 7 TeV. Cela a permis de gagner en efficacité de reconstruction des électrons tout en maintenant la réjection nécessaire des bruits de fond (hadrons, quarks lourds, photons convertis). En vue d'améliorer la reconstruction et l'identification, de nouvelles variables ont été proposées pour l'association entre trace et dépôt électromagnétique, moins sensibles à l'effet bremmstrahlung et plus dicriminantes avec les bruits de fond. En parallèle, l'impact de ces améliorations sur les performances de l'analyse H → Z Z^(∗) → 4e a été évalué à 40%. Il a été aussi proposé de modifier les coupures de sélection des évènements à quatre électrons afin d'optimiser le rapport signal sur bruit. Enfin, le démarrage du LHC a permis l'étude des premiers électrons issus d'évènements de biais minimum, et de désintégrations de bosons Z. La comparaison des variables caractéristiques (forme de gerbe, trace) des électrons a montré des désaccords par rapport aux simulations, et a permis de mettre en évidence des effets de désalignement entre le calorimètre électromagnétique et le détecteur interne de traces. Dans le même temps, l'accumulation de données a permis l'observation des premiers évènements Z → ee accompagnés d'électrons supplémentaires, ce qui inaugure les analyses des bruits de fond au signal H → Z Z^(∗) → 4e.

La construction d'un futur collisionneur linéaire e+/e− est prévue pour obtenir des mesures précises (à l'échelle du T eV ) qui seraient complémentaires de celles obtenues du LHC. Un des défis de ce collisionneur linéaire sera de focaliser le faisceau à des tailles transverses nanométriques au point d'interaction, afin d'obtenir une importante luminosité de quelques 10^−34 cm^2 s^−1 . Les deux projets de collisionneur linéaire (ILC et CLIC) requièrent un système de distribution du faisceau partageant le même schéma de correction de chromaticité locale dans le système de focalisation finale. ATF2 à KEK (Japon), une implémentation de ce schéma mis à l'échelle en énergie, utilise le faisceau extrait d'ATF, qui est un des meilleurs anneaux d'amortissement au monde. Les objectifs d'ATF2 sont de prouver la faisabilité et la stabilité du système de focalisation finale et de définir et tester les procédures de corrections expérimentales. Les tailles nominales du faisceau au point d'interaction sont de 3µm horizontalement et 37nm verticalement. Le travail de thèse a commencé avant la mise en service et en couvre la première année à KEK. Au début, nous avons observé que les BPMs 'stripline' ne fonctionnaient pas correctement, nous avons donc examiné leurs comportements en détail. Le problème a été caractérisé puis résolu plus tard, en 2010, en changeant l'électronique. Nous avons alors développé une procédure efficace pour vérifier la modélisation de la ligne de faisceau, en comparant les mesures des matrices de transfert aux prédictions du modèle calculé en direct. Après avoir obtenu un bon accord, nous avons pu tester avec succès l'algorithme de correction de trajectoire que nous avions développé, réduisant la différence entre les mesures obtenues par les BPMs et les valeurs cibles jusqu'à 0.5mm horizontalement et 0.2mm verticalement. Nous avons aussi développé avec succès un algorithme pour reconstruire les fluctuations de la trajectoire du faisceau pour chaque paquet avec une résolution inférieure au micron. Cette reconstruction détermine aussi les fluctuations en énergie, permettant un ajustement général de la fonction de dispersion sur la longueur de la ligne de faisceau avec une précision de quelques millimètres, dominé par les erreurs systématiques provenant des matrices de transfert et des incertitudes sur les facteurs d'échelles des BPMs. Une méthode simple et robuste de réglage de la taille du faisceau à l'IP utilisant des déplacements de sextupoles a aussi été étudiée en simulation. Les performances indiquent que, en faisant quelques hypothèses sur le niveau d'erreur du faisceau, la convergence à 20% de la taille nominale devrait être possible en 8 heures avec une probabilité de 80%. Les premiers résultats expérimentaux de telles méthodes de réglages de la taille du faisceau sont actuellement en cours pour 2010 et 2011.

ATLAS est l'une des quatre expériences installées au CERN, dans le cadre du projet LHC (Large Hadron Collider). Ce document présente une étude de la calibration des photomultiplicateurs (PM) du calorimètre hadronique d'ATLAS avec un système laser et une analyse de la réponse en énergie des calorimètres d'ATLAS à des pions chargés d'énergie comprise entre 3 et 250 GeV. L'étude débute par la description de la calibration des PM du calorimètre hadronique. Les résultats produits à l'issue de l'analyse ont démontré que le système est très performant. Nous sommes capables de mesurer la stabilité avec une précision de 0.2%. Cette mesure est en accord avec la valeur attendue. L'analyse de la réponse des calorimètres est divisée en deux parties. On s'intéresse à la réponse des calorimètres aux pions des haute énergie (20-250 GeV). L'étude se termine avec l'analyse de la réponse basse énergie (3-9 GeV)

At the dawn of the Large Hadron Collider era, the Brout-Englert-Higgs mechanism remains the most appealing theoretical explanation of the electroweak symmetry breaking, despite the fact that the associated fundamental scalar boson has escaped any direct detection attempt. In this thesis, we consider a particular extension of the minimal Brout-Englert-Higgs scalar sector implemented in the Standard Model of strong and electroweak interactions. This extension, which is a specific, "twisted", realisation of the generic two-Higgs-doublet model, is motivated by a relative phase in the definition of the phenomenologically successful CP and custodial symmetries. Considering extensively various theoretical, indirect and direct constraints, this model appears as a viable alternative to more conventional scenarios like supersymmetric models, and gives grounds to largely unexplored possibilities of exotic scalar signatures at present and future collider experiments.

Un des buts de l'expérience R704 est l'étude des états $\chi_1$ et $\chi_2$ du charmonium $(c\bar{c)}$ dans leur annihilation J/$\psi$ + photon. Ces états sont formés par interaction d'un jet moléculaire d'hydrogène sur un faisceau refroidi d'antiprotons. L'importance du bruit de fond hadronique conduit à ne s'intéresser qu'aux états finaux électromagnétiques. L'appareillage de détection est essentiellement constitué de deux bras symétriques non magnétiques en deux parties. La première s'intéresse seulement aux particules chargées : mesure de leur direction (chambres à fils scintillateurs) et identification des électrons (Cerenkov). La deuxième forme un calorimètre mesurant la position et l'énergie des photons et électrons (sandwiches plomb-scintillateur chambres proportionnelles à lecture cathodique et mur de verre au plomb). L'analyse des données est fondée sur la reconnaissance d'une paire d'électrons provenant d'un $\Psi$, puis la recherche du photon associé, déduit de la reconstruction de la cinématique de la désintégration du $\chi$. Un ensemble de 32 et 55 événements répondent à ses critères ont été isolés, respectivement pour le \chi_1$ et $\chi_2$, avec un bruit de fond négligeable, permettant d'extraire les valeurs de la masse, la largeur et le rapport de branchement $p\bar{p}$. Ces résultats sont comparés aux prévisions théoriques des modèles inspirés de la chromodynamique quantique (QCD) : les masses sont bien décrites par les méthodes de potentiel et de règles de somme (avec une incertitude de l'ordre de 10 MeV). Les prévisions sur les largeurs (calculées à l'ordre 0 de QCD) ne donnent que l'ordre de grandeur de nos résultats alors que celles concernant les rapports de branchement sont en bon accord avec nos mesures.

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