Les travaux de recherche présentés dans cette thèse étudient la vitesse des neutrinos mesurée par l'expérience OPERA sur le faisceau CNGS au CERN. Divers modèles théoriques de gravité quantique et d'extra-dimensions prévoient des effets importants sur la violation de la conservation de Lorentz qui serait observable par la mesure de la vitesse des neutrinos. L'expérience MINOS a publié en 2007 une mesure de la vitesse des neutrinos muoniques sur une distance de 730 km avec un écart par rapport à celui de la lumière de 126 ns avec une erreur statistique de 32 ns et une erreur systématique de 64 ns. L'expérience OPERA détecte également des neutrinos muoniques ayant parcourut 730 km avec une sensibilité significativement meilleure que MINOS grâce à une statistique plus élevée due à l'énergie plus élevée du faisceau et à le système de synchronisation entre OPERA et le faisceau CNGS beaucoup plus sophistiquée et modifié dans le but de réduire l'erreur systématique. Ce système est composé par des horloges au césium et de récepteurs GPS spéciaux fonctionnant en common view mode. Le tout permet un time transfer entre les deux sites précis à l'ordre de 1 ns. Un système d'échantillonnage à 1 GHz (fast waveform digitizer) capable de reconstruire la distribution temporelle des protons envoyés sur la cible du CNGS a été intégré au système existant de mesure du faisceau CNGS. Le résultat consiste en la mesure de la vitesse des neutrinos produits artificiellement avec la précision la plus élevée jamais atteinte : le temps de vol des neutrinos a été déterminé avec une incertitude statistique d'environ 10 ns et une incertitude systématique plus petite de 20 nanosecondes.

Ce travail s'intéresse au calcul de la masse des baryons à partir de la théorie décrivant l'interaction forte : la chromodynamique quantique (QCD). Cette théorie régit l'interaction entre les quarks et l es gluons et a pu durant ces dernières décennies être vérifiée à haute énergie grâce à l'une de ses propriétés : la liberté asymptoti que. Celle-ci prédit que les calculs perturbatifs sont valides à haute énergie car la constante de couplage tend vers zéro. Les quantités physiques régissant la physique à basse énergie nécessitent quant à elles un traitement non pertubatif et font l'objet de ce travail. La seule approche con nue permettant de calculer ces observables en contrôlant tous les effets systématiques est la QCD sur réseau. Le C hapitre 1 est une introduction au formalisme de la QCD et à sa formulation discrétisée. Le second chapitre est dédié à la discréti sation particulière utilisée au sein de la collaboration Europan Twisted Mass (ETM). Le Chapitre 3 met en place la technologie nécessaire au calcul des masses des hadrons. L'estimation des intégrales fonctionnelles en utilisant le calcul massi vement parallèle sur des Super Calculateurs est décrite dans le Chapitre 4. La production de configurations de jauge sur ce type d'architecture constitue une part importante du travail effectué durant cette thèse. Le Chapitre 5 est dédié à la formulation des théories effectives dites de pertubations chirales. Les Chapitres 6 et 7 sont consacrés aux baryons légers et étranges. Les eff ets systématiques ainsi que les extrapolations chirales sont largement discutés.

Pas de résumé

Cette thèse présente le travail de trois ans effectué dans l'expérience CMS, dans le contexte des premières collisions du LHC. L'étude porte en particulier sur les électrons, objets essentiels pour les analyses de recherche en canaux multi-leptons, notamment l'analyse H → ZZ(∗) → 4ℓ. Durant les premiers mois de collisions, nous avons pris part à la validation des données enregistrées par le calorimètre électromagnétique. Nous avons mesuré l'efficacité du système de déclenchement de niveau 1 en électrons et photons tout au long de l'année 2010. L'efficacité sur le plateau est de 99.6 % (resp. 98.5 %) pour des électrons dans le tonneau (resp. dans les bouchons) du calorimètre. En vue d'optimiser le potentiel de découverte, nous avons mis au point un nouvel algorithme de mesure de la charge des électrons. Dans CMS, celle-ci est affectée par la grande quantité de matière présente dans le trajectographe. Les performances de cet algorithme ont été mesurées sur les données enregistrées en 2010, sur des électrons issus de désintégrations de bosons Z, passant une sélection standard. La probabilité d'erreur est de 1.06 % (0.19 % après une sélection spécifique), en accord avec la simulation. L'analyse de physique effectuée dans cette thèse porte sur la recherche de bosons de Higgs doublement chargés, dans leurs désintégrations en paires de leptons. Avec les données enregistrées en 2010, un événement de bruit de fond est attendu à la fin de la sélection, pour un nombre d'événements de signal qui dépend de l'hypothèse de masse et du modèle considéré. Un événement est observé dans les données, en accord avec le bruit de fond attendu, ce qui permet d'exclure ce signal sur des domaines de masse plus larges que précédemment : la limite varie de 122 GeV à 176 GeV en fonction du modèle.

L'expérience T2K, construite au Japon, est une expérience d'oscillations de neutrinos à base longue. Dans cette expérience, les paramètres décrivant ce phénomène quantique, et plus particulièrement l'angle de mélange theta13, sont mesurés en utilisant un faisceau de neutrinos muoniques produit par un accélérateur de particules. Dans cette thèse, des résultats obtenus à partir des données prises pendant la première année de fonctionnement de l'expérience sont présentés. Après avoir présenté la théorie de l'oscillation quantique des neutrinos, et l'expérience en elle-même, nous nous concentrons sur le détecteur proche sur axe de T2K, INGRID. Nous présentons les études de calibration de ce détecteur, qui ont permis de montrer qu'il fonctionnait correctement, et de façon stable dans le temps. Nous présentons ensuite les mesures réalisées sur le faisceau de neutrinos, pour déterminer sa direction et sa forme dans le plan transverse. Le second objet de cette thèse est un nouveau détecteur, le Module Proton, qui fut la première modification ajoutée au détecteur INGRID. Ce nouveau module a vocation à étudier plus précisément les interactions quasi élastiques se produisant sur l'axe du faisceau. Nous présentons les motivations physiques ainsi que les études de conception qui ont mené à sa construction. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons les premiers résultats obtenus à partir de données prises par ce module, qui donnent une idée des possibilités offertes par ce nouveau détecteur pour étudier le faisceau de neutrinos de l'expérience T2K.

En 2008, le futur collisionneur du CERN, le Large Hadron Collider (LHC), commencera à récolter les données issues des collisions entre protons à l'échelle du TeV, dans le but de comprendre la brisure de la symétrie électro-faible. Un grand nombre de réactions incluant de nombreuses particules dans l'état final doit être étudié avec précision. Ces possibilités de découverte du LHC ne pourront être pleinement exploitées que si le bruit de fond de la Chromodynamique Quantique est bien maîtrisé. Parmi les réactions comprenant plus de quatre particules, la production associée d'une paire de bosons de jauge faible (W, Z) associée à un jet constitue un des bruits de fond pour la recherche du boson de Higgs au LHC. Il est important de calculer cette réaction à l'approximation dite "au-delà des logarithmes dominants", qui consiste à ajouter à l'ordre dominant le plus bas les deux contributions suivantes : la correction virtuelle (c'est un calcul d'amplitudes à une boucle) et l'émission réelle (c'est un calcul d'amplitudes à l'arbre mais avec un parton de plus dans l'état final). Des expressions analytiques suffisamment compactes pour être évaluées numériquement ont été obtenues et sont en parfait accord avec les résultats de deux autres groupes de recherche indépendants. Quant à l'émission réelle, toutes les contributions ont été évaluées à l'aide de programmes de génération automatique d'amplitudes à l'arbre. Ainsi, nous sommes en mesure de présenter des prédictions précises concernant les corrections à l'ordre supérieur de la section efficace totale de cette réaction au LHC.

Ce document présente le travail effectué au sein de l'expérience BABAR ainsi qu'une étude phénoménologique sur l'interprétation des mesures de physique du B reliées au triangle d'unitarité. L'électronique de lecture du détecteur Cherenkov de BABAR, le DIRC, et en particulier, le convertisseur temps-numérique conçu au LPNHE sont décrits. Deux résultats majeurs de la collaboration BABAR sont également présentés : la mesure du paramètre sin2β dans les modes b → ccs qui a permis la mise en évidence de la violation de CP dans le domaine des B en 2001 et l'étude des asymétries CP dans le canal B0 → π+π−. Les contraintes sur le triangle d'unitarité, provenant de mesures dans le système K0K0, des désintégrations semi-leptoniques des B, des paramètres d'oscillation BB sont en excellent accord avec celles de sin2β et α.

Produits lors des collisions dures proton-proton initiales, les photons prompts sont un outil interessant pour etudier la ChromoDynamiqueQuantique perturbative (pQCD) en collisions proton-proton, comme celles ayant lieu aupres du Large Hadron Collider (LHC) du CERN. De plus, les photons de grande energie transverse fournissent des informations essentielles sur les fonctions de distribution partoniques (PDF) a l'interieur du proton. Pour les mesurer, il est necessaire de s'affranchir des nombreuses autres sources de photons qui existent en plus des photons prompts, particulierement du large bruit de fond provenant des photons de decroissance du pi0. EMCAL (ElectroMagnetic CALorimeter), le calorimetre de l'experience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au LHC couvre les rapidites centrales et permet d'ameliorer significativement les capacites d'ALICE a mesurer les photons de grande impulsion transverse. Nous presentons des etudes d'identification des photons, dans EMCAL, en explicitant les methodes developpees pour les separer des photons du pi0, a l'aide de coupures d'isolement.

La recherche d'un boson de Higgs léger dans le canal H --> gamma gamma dans l'expérience ATLAS nécessite d'excellentes performances du calorimètre électromagnétique et une bonne compréhension des bruits de fond. Ce travail de thèse s'articule donc autour de deux points. Le premier concerne le fonctionnement et les performances du calorimètre électromagnétique. D'abord, des développements sont apportés au code de reconstruction online des calorimètres à Argon liquide, et ses algorithmes sont validés, ce qui inclut un contrôle des données en ligne. Ensuite, deux mesures indépendantes de l'uniformité du calorimètre électromagnétique tonneau sont réalisées, l'une avec les muons cosmiques et portant sur une couverture effective d'environ 20% du calorimètre, et l'autre avec les événements pi0 --> gamma gamma dans les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV, avec une luminosité intégrée de L = 414.8 μb−1. La mesure sur les muons montre que les non-uniformités dans la direction eta sont inférieures à 1.0% dans le compartiment milieu et 1.7% dans le compartiment avant, à 95% de niveau de confiance. Avec les pi0, ces résultats sont améliorés et aboutissent à une dispersion de la réponse entre données et simulation inférieure à 0.7% dans les trois cryostats (tonneaux et bouchons), ce qui est au niveau des performances attendues au démarrage. Le deuxième axe de cette thèse concerne l'extraction de paires non-résonnantes de photons. Deux méthodes sont présentées. La première est une double mesure de pureté utilisant une extrapolation du bruit de fond à partir de régions enrichies en bruit de fond vers une région de signal. La seconde méthode est basée sur une matrice d'efficacités de taille 4x4, entièrement déterminée par la simulation et appliquée événement par événement. Ces méthodes sont appliquées aux données de collision, correspondant à une luminosité intégrée de L = 2.82 pb−1. Un signal di-photons direct de 108.6 ± 19.5 (stat.) ± 34.5 (syst.) avec une pureté de (65.1 ± 8.6 (stat.) ± 8.7 (syst.))% est extrait.

Dans cette thèse nous présentons des études sur les mésons B effectués en utilisant les données enregistrées par l'expérience Babar auprès de PEP-II à SLAC. D'abord nous présentons la recherche des désintégrations B+→D+K(*)0. Ces modes de désintégration sont intéressants car il s'agit de processus d'annihilation qui fournit des informations importantes sur la dynamique de la désintégration des mésons beaux et les éléments de la matrice CKM, Vij. Les résultats obtenus sur ces modes de désintégration peuvent être utilisés dans des ajustements phénoménologiques. Cela permet de traduire les mesures sur les amplitudes chargées B+→D+K(*)0 en estimations sur les amplitudes B0→D0K(*)0 supprimées par Vub. L'analyse expérimentale est effectuée en utilisant plusieurs modes de désintégration du méson D chargé. Nous n'avons obtenu aucune évidence significative de signal et les limites supérieures sur les rapports d'embranchement suivants ont été établies. Dans la deuxième partie de la thèse nous présentons des études sur la violation de CP dans le système des mésons B et en particulier la mesure de l'angle γ du Triangle d'Unitarité. L'angle γ est la phase relative entre les éléments Vub et Vcb de la matrice CKM. Un paramètre crucial qui détermine la sensibilité à γ est le rapport r entre les amplitudes de transition b→u et b→c. Dans cette thèse nous présentons une analyse du canal de désintégration des mésons B: B+→D0K+. Ces désintégrations sont étudiées en utilisant la méthode ADS et le méson neutre D est reconstruit dans son état final Kππ0. En combinant cette analyse avec une analyse similaire qui utilise l'état final Kπ des D0 le rapport r et l'angle γ ont été déterminés.