This thesis presents two measurements made using data collected by the LHCb detector, operating at the Large Hadron Collider accelerator at the CERN particle physics laboratory. The first is a measurement of the production rates of promptly produced D0, D+, Ds+, and D*+ open charm mesons, using data collected in 2015 at a proton-proton centre-of-mass energy of √s = 13 TeV. The second is a search for direct CP violation in two three-body decays of the Lambda_c charm baryon, pKK and ppipi, using data collected in 2011 at √s = 7 TeV and in 2012 at √s = 8 TeV. For each measurement, motivation and context are given from the standpoint of improving the theoretical understanding of the Standard Model and searching for signs of physics that cannot be explained by it, and then the various statistical analysis techniques used to extract physical quantities from the data are explained. The systematic limitations of the method are explored and quantified, and then the results are presented.

The Muon Ionisation Cooling Experiment (MICE) has been commissioned to provide the first demonstration of ionisation cooling. MICE will aim to demonstrate that ionisation cooling can be used to reduce of the emittance of a beam of muons to meet the requirements of future particle physics experiments such as the Neutrino Factory, or Muon Collider. As of October 2016, commissioning of Step IV of MICE has been completed which provides an opportune time to make material physics studies on the absorber material. The cooling formula that MICE will use to measure the emittance reduction was reviewed. It is shown that the energy loss term is important when measuring cooling, and an accurate measurement of the energy loss will hence improve the accuracy of the cooling formula. The physics of ionisation cooling is also reviewed. The primary absorber used in the early data taking of MICE Step IV will be a 65mm disk of Lithium Hydride. The energy loss of Lithium Hydride was estimated using the equations of energy loss developed by Bethe. Methods were developed in this thesis to make measurements of the energy loss using data from the MICE trackers, and the timeof- flight data through the cooling channel. The energy loss of muons in monte-carlo simulations measured with the two alternative methods was found to be in agreement, with a measurement by the trackers of 9.02 ± 0.07, and from simulated time-of-flight of 9.32 ± 0.15. The first measurement of energy loss by 200 MeV/c muons was made using time-of-flight data using real muons in the MICE channel of ∆E = 9.23 ± 0.13 MeV, corresponding to a stopping power of Lithium Hydride of dE/dx = 1.42 ± 0.02 MeV g−1 cm2.

In this thesis we consider the phenomenology of the theory of strong interactions, Quantum Chromodynamics (QCD), with particular reference to the ongoing experimental program at the Large Hadron Collider in CERN. The current progress in precision measurement of Standard Model processes at the LHC experiments must be matched with corresponding precision in theoretical predictions, and to this end we present calculations at next-to-next-to-leading order in perturbation theory of observable quantities involving quarks and gluons, the strongly interacting particles of the SM. Such calculations form the most important class of corrections to observables and are vital if we are to untangle signals of New Physics from LHC data. We consider in particular the amplitudes for five parton interactions at 1- and 2-loop order and present full (in the 1-loop case) and partial (in the 2-loop case) analytic results in terms of rational functions of kinematic invariants multiplying a basis of master integrals. We address the problem of the solution of a system of integration-by-parts identities for Feynman integrals and demonstrate how some current difficulties may be overcome. We consider also the properties of the top quark, and present the NNLO, real-virtual contributions to the calculation of its decay rate. The results are presented as helicity amplitudes so that the full behaviour of the top spin is retained. These amplitudes constitute a necessary ingredient in the complete calculation of top quark pair production and decay at NNLO which will be an important theoretical input to many experimental analyses. Turning to a more phenomenological study, we consider the extraction of two important SM parameters, the top mass and the strong coupling constant, from measurements of top pair production at the ATLAS and CMS experiments. We compare with NNLO theory predictions and use a least-squares method to extract the values of the parameters simultaneously. We find best fit values of the parameters which are compatible with previous extractions performed using top data with the current world averages published by the Particle Data Group. We consider the issue of PDF choice and the circumstances in which a heavy quark can be considered a constituent of the proton. In particular, we look at the production of a Higgs boson in association with bottom quarks in four and five flavour schemes, in which the b may or may not be included in the initial state. We show that theoretical predictions in both schemes are well-motivated and appropriate in different scenarios, and moreover that results in the schemes are consistent provided a judicious choice of the renormalisation and factorisation scales is made. We suggest a typical scale choice motivated by considerations of consistency and find it to be somewhat lower than the typical hard scale of the process.

As pesquisas em Raios Cósmicos de Ultra Alta Energia conectam várias áreas da ciência, desde a física de particulas elementares até a estrutura do universo. Compreender a sua composição pode elucidar muitos enigmas interdisciplinares. O foco de nosso trabalho será a elaboração de métodos para distinguir a composição dos raios cósmicos com energia E > 5 1019 eV usando dois parâmetros, o Xmax e a densidade de muons. Em particular, temos como objetivo discriminar chuveiros iniciados por fotons daqueles por núcleos ou nucleons. Iremos basear nosso método em simulações de chuveiros atmosféricos extensos que geraremos através do código AIRES. Iremos analisar as principais caractersticas dos chuveiros iniciados por nucleos, nucleons e fotons procurando por sinais que possibilitem a discriminação com alta estatstica. / The subject of Ultra High Energy Cosmic Rays connects scientic elds, from elementary particle physics to the structure of the universe. Understanding the composition of UHECR can elucidate many interdisciplinary enigmas. Our work is focused on the elaboration of methods to distinguish the composition of cosmic rays at energies 51019 eV using two parameters, Xmax and muon density. In particular, we want to discriminate extensive air showers initiated by photons from those initiated by nucleus and nucleons. We base our work on simulations of extensive air showers using the AIRES package. We analyze proton, nucleus and gamma showers looking for signals to discriminate them using large statistics.

Current estimates put Dark Matter to 26% of the energy-matter content of the universe, but very little is known about it other than its gravitational interactions. Eorts to learn more about Dark Matter include searching for it at high energy particle colliders. The lack of information about the nature of Dark Matter makes this a complicated task, and many searches are performed in dierent channels, and considering dierent theoretical models. In this thesis, I explore two such analyses, performed in the ATLAS collaboration using data from the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN: the tW+MET (missing transverse energy) nal state and the tt+MET nal state. I have made a generation-level study of the overlap between the signal regions used, and come to the conclusion that there is some. I have also compared the models used in these analyses, the 2HDM+a and the simplied spin-0 pseudoscalar model. Given the simplications made in my study, however, more sophisticated approaches should be used before anything conclusive can be said.

ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules située sur le collisionneur LHC du CERN. Dans ce document, est résumée mon activité entre 2004 et 2009 au sein de la collaboration ATLAS, qui s'est articulée autour de 2 axes forts : - étude de la mise en route du calorimètre à argon liquide; - estimation du potentiel de découverte de nouveaux bosons de jauge massifs. Les perspectives pour les années 2010-2015, très prometteuses avec les premières collisions attendues sont également détaillées.

L'origine de la masse des particules élémentaires est liée au mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible. Son étude sera l'un des enjeux majeurs de l'expérience Atlas auprès du Large Hadron Collider, au Cern à partir de 2008. Dans la plupart des cas, les recherches seront limitées par notre connaissance des performances du détecteur, telles que la précision avec laquelle l'énergie des particules est reconstruite ou l'efficacité avec laquelle elles sont identifiées. Ce mémoire d'habilitation présente un travail portant sur la reconstruction des électrons dans Atlas avec des données simulées et des données prises durant le test en faisceau combiné qui s'est déroulé en 2004. L'analyse des données d'Atlas nécessite l'utilisation de ressources de calcul et de stockage importantes qui a impliqué le développement d'une grille de calcul mondiale dont un des noeuds est développé au laboratoire. Le manuscrit présente aussi l'effort effectué au LPNHE Paris pour la mise en place d'un Tier 2 en r\égion Ile de France.

La mesure des paramètres de violation de CP dans les désintégrations du type b->uubard permet en principe d'avoir accès à sin(2alpha), où alpha est l'un des angles du triangle d'unitarité. Cependant, la présence de diagrammes à boucle, appelées diagrammes pingouins, complique l'interprétation de la mesure expérimentale, qui ne donne en fait accès qu'à une valeur effective de \alpha : æff. Les mesures dans le canal B0->rho0rho0 permettent de réaliser pour la première fois une analyse d'isospin complète dans les modes B->rhorho, et donc en principe de déterminer le décalage \alpha-æff induit par les diagrammes pingouins. La désintégration B0->rho0rho0 a été étudiée en utilisant l'échantillon final de BABAR, soit $465 10^6$ désintégrations $\Y4S\to\BB$, collectées auprès du collisionneur \epem asymétrique PEP-II. Le rapport d'embranchement du mode B0->rho0rho0 a été mesuré BR=0.92±0.32±0.14 10^{-6} ainsi que la fraction de polarisation longitudinale fL= 0.75+0.11-0.14±0.03. La signifiance du signal B0->rho0rho0 est de 3.1 \sigma en prenant en compte les erreurs systématiques. La dépendance temporelle de la composante longitudinale a été étudiée et les paramètres de violation CP ont également été mesurés: S^{00}_L = 0.3±0.7±0.2, C^{00}_L = 0.2±0.8±0.2. L'implication de ces résultats sur l'angle $\alpha$ du triangle d'unitarité a été étudiée en effectuant une analyse d'isospin. En utilisant les mesures de BABAR pour les modes B->rho+rho- et B±->rho±rho0, la limite supérieure à 68% (90%) sur le décalage induit par la présence de diagrammes pingouins est donnée par: |\alpha-æff|<15.6° (<17.6°)

Utilisant des données Monte-Carlo ATLAS en simulation complète du canal ttH;H->WW(*), cette thèse prsésente une étude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosité intégrée de 30fb(-1) dans la gamme de masses du Higgs allant de 120 à 200GeV. Les effets du système de déclenchement, de l'empilement des événements, ainsi que de toutes les erreures systématiques possibles ont été étudiés. Pour une masses du Higgs de 160GeV, en incluant les erreures systématiques, la significance obtenue du signal est à 2 sigma en combinant les états finaux à deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combiné sigma_ttH*Br(H->WW(*)) peut atteindre une précision de 47 %.Cette thèse comprend également une étude de la linéarité de la réponse à des électrons VLE avec des données de tests en faisceau combiné d'un secteur du détecteur ATLAS. Les résultats MC utilisant une graine multiple 5X5 permettent d'envisager une amélioration future de la linéarité de réponse à des électron VLE.

Echantillon de 340fb-1 de donnees BaBar utilises pour caracteriser la desintegration D+ --> K- pi+ e+ nu. Etude des composantes de moment angulaire (L) 0 et 1 (ondes S et P). Determination precise de la fraction de l'onde S et et mesure de la variation de l'amplitude et phase de l'onde S avec la masse Kpi. Determination des facteurs de forme pour l'onde P. Determination des parametres de la resonance K*(892). Recherche de contribution extra pour la composante P (K*(1410)).