Les collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV au LHC produiront des bosons Z en grande quantité dont la mesure de la section efficace de production constitue un test du Modèle Standard. Après avoir décrit le contexte théorique et procédé à une description du détecteur ATLAS et des outils de simulation et d'analyse, une partie de cette thèse est consacrée à l'exploitation des événements cosmiques enregistrés dans la phase de préparation aux collisions afin de valider la simulation des formes de gerbes électromagnétiques dans un contexte proche de celui des collisions. Une deuxième partie de la thèse s'attache à la description des éléments clefs intervenant dans la mesure de la section efficace. Des critères de sélection utilisant des variables d'isolation, alternatifs à la sélection standard, ont été étudiés et ont mené à l'observation des premiers candidats Z->e+e- dans ATLAS. Enfin, les principales sources d'erreurs systématiques intervenant dans la mesure de section efficace ont été étudiées. Il s'agit des incertitudes liées d'une part à l'efficacité de sélection des électrons et d'autre part à l'efficacité géométrique du détecteur.

En ce début d'année 2010, le collisionneur de protons LHC a commencé son fonctionnement avec une énergie dans le centre de masse de s = 7 TeV, faisant du CERN le laboratoire abritant le plus puissant accélérateur de particules au monde. La nouvelle fenêtre d'observation offerte par cette machine offre aux physiciens la possibilité d'observer des phénomènes physiques encore inconnus et détendre nos connaissances sur le fonctionnement de l'univers. Parmi les expériences placées sur l'anneau du LHC se trouve l'expérience généraliste ATLAS, dont les objectifs de physique comprennent la complétion du Modèle Standard de la physique des parti- cules par la découverte du boson de Higgs, la mesure des propriétés du quark top, mais également la mise à l'épreuve de théories comme la sup er-symétrie, les modèles de grande unification et de dimensions supplémentaires. Le chapitre 1 illustrera l'état des connaissances théoriques en physique subatomique avant le nouvel éclairage que le LHC a la vocation de lui app orter, tandis que le chapitre 2 décrira l'exp érience ATLAS sur lequel repose le travail effectué pendant cette thèse. L'exploitation des données d'un collisionneur de hadrons n'est cependant pas aisée, et la réduction du bruit QCD est un des enjeux majeurs des expériences placées auprès du LHC. Dans cet environnement hadronique, la maîtrise des leptons est cruciale. Leur signature relativement simple et leur présence dans des canaux de découvertes importants sont des atouts pour la recherche de nouvelle physique. L'électron, sa reconstruction, son identication, sa mise en oeuvre et celle du calorimètre électromagnétique qui est un sous-détecteur crucial pour sa mesure a été le conducteur de ma thèse qui se découpe comme suit. La reconstruction de l'électron commence dans le calorimètre électromagnétique

La théorie prévoit, qu'aux premiers instants de l'univers, la matière a pu existersous la forme d'un plasma de quarks et de gluons (QGP). Les collisions d'ions lourds à des énergies ultra-relativistes sont utilisées pour recréer cet état déconfiné de la matière. L'expérience NA50 au CERN a mis en évidence, entre autres, l'existence d'une suppression anormale du J/psi dans sa désintégration dimuon pour les collisions les plus centrales du système Pb-Pb. La collaboration NA60 a permis, avec une précision accrue, d'améliorer et de compléter les résultats de NA50. Pour cela, le groupe NA60 a ajouté un spectromètre à ≪ pixels ≫ en amont de l'absorbeur de l'expérience NA50. L'un des résultats les plus remarquables de cette expérience a été de montrer que l'excès de dimuons observé aux masses intermédiaires était dû à des dimuons directs, ce qui pourrait être la première mise en évidence de dimuons thermiques. Le travail de ce manuscrit s'inscrit sur l'expérience NA60 pour les collisions In-In à 158 Gev/c par nucléon et porte sur la production de la résonance J/psi en fonction de la centralité. Après corrections des effets d'acceptance et d'efficacité, la centralité est déduite de la multiplicité des traces en utilisant le code de simulation VENUS. La production du J/psi est normalisée aux événements de biais minimum qui sontinsensibles à la production d'un QGP. Les résultats indiquent que la production du J/psi dans les collisions In-In est compatible avec l'absorption nucléaire de section efficace σ= 4.18 ± 0.35mb et qu'il n'y a donc pas de suppression anormale et ceci quelque soit la centralité de la collision. Cette étude n'a porté que sur une partie des données In-In, la statistique complète doit permettre d'affiner et de confirmer ce résultat.

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à l'étude expérimentale de la fonction de structure d'un photon quasi-réel à l'aide du détecteur CELLO. Après une description de l'appareillage CELLO et une présentation du contexte théorique, nous décrivons et nous montrons la validité d'un programme de simulation du « détecteur avant », qui est un élément fondamental pour cette analyse. Cette simulation nous permet à l'aide de l'étude de la diffusion Bhabha à petit angle d'accéder à une normalisation des résultats. Le dernier chapitre décrit la sélection des événements à état final hadronique. Les effets du détecteur sont pris en compte par une méthode de déconvolution (unfolding) et les résultats de cette mesure sont présentés. Ensuite nous procédons à une vérification de la validité de cette mesure et de la normalisation par une étude des événements à état final leptonique. L'interprétation de cette mesure de la fonction de structure du photon indique une absence de l'invariance d'échelle à petit Q2 et l'inadéquation des prédictions standards (VDM et QPM) à petit Q2.

A travers des collisions, il est possible de reproduire un Plasma de Quarks et de Gluons. Dans ce cadre, le détecteur ALICE installé auprès du collisionneur LHC (CERN) est optimisé pour étudier la transition vers cet état hypothétique de la matière. Il est équipé d'un spectromètre mesurant les sondes muoniques (quarkonia, saveurs lourdes...). La première partie de cette thèse présente la méthode calculant l'efficacité du système de trajectographie de ce spectromètre. Les résultats, obtenus par simulation, sont replacés dans le contexte du calcul global d'efficacité. Ceux-ci montrent l'évolution de l'efficacité en fonction des défaillances électroniques probables. Ils établissent que le bon fonctionnement du détecteur implique moins de 90% de canaux défaillants et 85% de cartes dites MANU défaillantes. La deuxième partie présente la mise en place de la méthode dite « Distance Closest Approach », permettant l'identification des muons provenant de particules charmées ou belles. Pour des impulsions transverses pt < 4 GeV/c, la détermination de la contribution des saveurs lourdes (du charme en particulier) au spectre des muons simples impose qu'une soustraction de la décroissance de pions et de kaons soit effectuée. Cette discrimination n'est pas possible trace par trace, le développement d'une méthode alternative de soustraction des hadrons légers a été introduite. La méthode de DCA utilise la distance entre les traces extrapolées dans le plan transverse au vertex primaire et ce vertex. La différence de forme entre les distributions en DCA du signal et du bruit provenant des différentes longueurs de décroissances, liées aux types des particules, autorisera une meilleure séparation permettant ainsi de remonter aux sections efficaces de production du charme et de la beauté.

Les extensions du Modèle Standard (MS) des particules sont maintenant dans une époque de développement très actif. Les motivations de l'introduction des dimensions supplémentaires sont basées d'une part sur la théorie des cordes qui nécessitent l'existence de nouvelles dimensions pour être cohérent. D'un autre côté ces théories peuvent potentiellement expliquer le problème de hiérarchie, le nombre de générations de fermions ou la stabilité du proton. La caractéristique commune de ces modèles est qu'ils fournissent une nouvelle particule neutre interagissant faiblement - un candidat idéal de la matière noire. Sa stabilité est préservée par la parité KK qui interdit les désintégrations du LKP en particules du MS. La géométrie de l'espace sous-jacent détermine le spectre de particules du modèle donc la masse et le spin du candidat DM, qui à leur tour jouent un rôle clé dans les études phénoménologiques. Nous présentons un modèle à deux dimensions supplémentaires universelles compactifiées sur le plan projectif réel. Cette géométrie particulière permet la définition des fermions chiraux et la stabilité de la matière noire neutre candidat dérive naturellement des propriétés intrinsèques de l'espace sans ajouter de nouvelles symétries ad hoc. Nous présentons le spectre de deux premiers niveaux KK à une boucle. Le spectre au sein de chaque niveau KK est fortement dégénéré ce qui fournie des signatures très intéressantes du modèle. Nous étudions la phénoménologie de la matière noire dans notre modèle pour limiter l'espace des paramètres en comparant nos résultats avec les données de WMAP et les expériences de détection directe. En utilisant les bornes obtenues, nous nous concentrons sur la phénoménologie LHC de notre modèle.

Cette thèse est une étude analytique d'équations de Painlevé discrètes(q-discrete Painlevé equations), utilisant le système linéaire associé, dont les équations de Painlevé sont une déformation iso-monodromique. Les équations de Painlevé ont été mises en évidence au début du XXieme siècle, dans une recherche systématique d'équations différentielles ayant des solutions n'ayant pas de singularités dépendant des conditions initiales autres que des pôles. La motivation était de généraliser les fonctions spéciales, tout en contraignant suffisamment le problème. L' idée a été empruntée aux travaux de Sophie Kowalesvki, une contribution fondamentale dans le domaine des systèmes intégrables. Les équations de Painlevé apparaissent aujourd'hui dans un certain nombre de problèmes de physique théorique, dont, pour ne citer que les plus fameux les fonctions de corrélation du modèle d'Ising, et les modèles de mécanique statistique liés aux théories conformes. Un développement apporté par ces résultats venus de la physique théorique est l'émergence de versions discrètes de ces équations. Il est donc particulièrement intéressant de produire de nouvelles solutions de ces équations, puisque la description complète des solutions n'est pas encore disponible. Nous avons surtout étudié les solutions particulières d'un analogue discret de la seconde équation de Painlevé, en utilisant le système linéaire associé construit avec des matrices 2x2. Il est bien connu que, comme leur limites continues, les analogues discrets des équations de Painlevé, admettent, pour des valeurs particulières des paramètres, des solutions particulières rationnelles ou données par des fonctions q-hypergéométriques. Les solutions particulières connues ont des structures de déterminants tout à fait remarquables, et qui peuvent être vues de deux manières différentes. La première fait appel fait appel au ''formalisme bilinéaire'' et est de nature algébrique. La seconde utilise le fait que les équations de Painlevé apparaissent comme la condition de compatibilité d'un système linéaire associé. En examinant ce système linéaire, on peut extraire une information utile sur les équations non-linéaires. En fait ceci permet de mettre en évidence la structure de déterminant des solutions particulières des équations de Painlevé. Pour les équations discrètes, la forme en déterminant des solutions particulières a été déduite par l'approche algébrique. On a montré qu'elles ont une structure similaire à leurs analogues différentiels,modulo quelques différences qui restent à expliquer. Nous avons adopté l'approche analytique et développé la méthode correspondante pour les équations discrètes. Nous avons utilisé le problème linéaire associé à l'équation q-PII, donné en terme de matrices 2x2. Notre résultat majeur est la construction explicite de la forme déterminantale des solutions particulières rationelles et q-hypergéometriques de l'équation q-PII. Ce qui est particulièrement remarquable dans notre méthode est qu'elle utilise l'analyse linéaire q-discrete ''élémentaire'', et est donc très accessible.

La physique des oscillations de neutrinos occupe une place majeure dans les études s'intéressant à cetteparticule. Le mécanisme des oscillations, basé sur un changement d'état de saveur d'un neutrino durant sapropagation, permet d'élucider les déficits observés de neutrinos solaires et atmosphériques et apporte des indicationsintéressantes de physique au delà du Modèle Standard par l'étude des angles de mélanges et du schéma de masse desneutrinos.OPERA est un détecteur hybride combinant à la fois latechnique d'une détection électronique en temps réel et la technique de la chambre à brouillard à émulsion ou ECC(EmulsionCloud Chamber). Le détecteur ECC est un détecteur massif (cible) composé de 150000 briques dontchacune est constituée de feuilles de plombs, utilisées comme cible, alternées avec des émulsions nucléaires dont laprécision de reconstruction des traces est de l'ordre du micron. Le détecteur comprend également deux spectromètresavec des plaques de fer magnétisé de 5 cm d'épaisseur alternées avec les détecteurs RPC (Resistive Plate Chamber)associés à six ensembles de drift tubes (PT) pour la mesure de la charge et de l'impulsion du muon, et un plan de vetoservant à la rejection des particules extérieures à la cible.

La supersymétrie, qui permet de combler certaines lacunes du Modèle Standard de la physique des particules (MS), est recherchée par la tentative d'observation du partenaire supersymétrique du quark bottom (sb). Cette recherche est effectuée avec des événements d'état final composé de deux jets de quarks b acoplanaires et d'énergie transverse manquante (MET) et issus d'un lot de 992 pb-1 de données collectées par le détecteur D0 auprès du TeVatron, le collisionneur ppbar de Fermilab. L'absence d'excès d'événements par rapport aux prévisions du MS conduit à exclure les masses de sb jusqu'à 201 GeV, et les masses de neutralino jusqu'à 94 GeV. De par le rôle essentiel que joue ici la MET, celle-ci a été étudiée sous deux aspects. Tout d'abord, au niveau du système de déclenchement qui sélectionne en ligne les événements, puis, via la simulation de l'impulsion transverse du boson Z, par le générateur ALPGEN, qui apparait comme de la MET si le Z se désintègre en neutrinos.

Cette thèse est constituée de deux contributions scientifiques qui ont donné lieu à deux séries d'articles. On construit dans la première une symétrie vectorielle dans les théories cohomologiques via une généralisation de l'équation de Baulieu-Singer, qui définit avec l'opérateur BRST topologique un sous ensemble de générateurs de supersymétrie admettant une représentation qui détermine l'action de la théorie de manière unique.<br /><br />La seconde série propose une méthode pour renormaliser les théories supersymétriques de Yang-Mills en l'absence de schéma de régularisation préservant à la fois l'invariance de jauge et la supersymétrie. La prescription de renormalisation est obtenue en définissant deux opérateurs de Slavnov-Taylor compatibles respectivement pour l'invariance de jauge et la supersymétrie. La construction de ces derniers nécessite l'introduction de champs additionnels que nous avons appelés les champs d'ombre. Nous avons ainsi été en mesure de démontrer la renormalisabilité des théories de Yang-Mills supersymétriques et l'annulation de la fonction beta dans le cas de la supersymétrie maximale. <br /><br />Après une brève introduction, le second chapitre propose une revue de la théorie de Yang-Mills de type cohomologique en huit dimensions. Le chapitre suivant examine les réductions dimensionnelles en sept et six dimensions de cette théorie. Le dernier chapitre propose quand à lui des résultats indépendants, sur une interprétation géométrique des champs d'ombre, ainsi que des travaux non publiés sur la gravité topologique en quatre dimensions, des considérations sur la symétrie superconforme et enfin la solution des contraintes dans le super-espace twisté.