Le XXe siècle a marqué le succès de la construction du modèle standard de la physique des particules. Elaborée entre les années 1930 et 1970, cette théorie des particules élémentaires et des interactions électromagnétique, faible et forte a depuis été abondamment vérifiée auprès des collisionneurs tels que le LEP et le Tevatron. Malgré ce succès, certaines questions laissées en supsens ont nécessité l'élaboration de nouvelles théories permettant de dépasser le cadre du modèle standard. Parmi ces théories nombreuses sont celles prédisant l'existance d'un nouveau boson Z' à l'échelle du TeV. Les données du LHC, recueillies depuis son démarrage à l'automne 2008, offrent une nouvelle fois l'opportunité de confronter le modèle standard à ses prédictions et de rechercher les signatures de l'existence de nouvelle physique jusqu'à des énergies inégalées. Le travail mené au sein de l'expérience ATLAS au cours de ces quatres premières années s'est ainsi orienté autour de la compréhension du détecteur et de l'analyse des premières données. Cette thèse couvre ces deux aspects. La première partie du travail présenté revient ainsi sur la mise en évidence d'une pathologie de l'électronique de lecture du calorimètre à argon liquide d'ATLAS ainsi que sur l'étude de larges déviations cohérentes du bruit observées depuis sa mise en service. La mise en place d'une stratégie de préservation des données collectées y est détaillée. La seconde partie de ce manuscrit se concentre sur la recherche d'un nouveau boson Z'. Si tant est qu'une telle particule existe, sa décroissance en un électron et un positron devrait donner lieu à l'apparition d'une nouvelle résonance massive dans le spectre en masse invariante diélectron. Les performances de reconstruction et d'identification des électrons, particulièrement à haute impulsion transverse, sont étudiées. L'analyse des 4.9 fb-1 de données collectées en 2011 est décrite. En l'absence de déviation significative par rapport aux prédictions du modèle standard, le spectre en masse invariante diélectron est réinterprété afin de dériver les limites sur l'existence de nouveaux bosons issus de théories de grande unification (E6) et sur l'existence d'un boson de type SSM. Ces limites et celles obtenues par l'expérience CMS sont à l'heure actuelle les plus contraignantes quant à l'existence de ces nouveaux bosons.

This document, prepared to obtain the "Habilitation à Diriger des Recherches", is a compendium of the photon-related analysis activities I carried on within ATLAS in the past four years and a half. The activities I will describe can be broadly classified into three categories: optimization and/or in situ measurement of photon-related performance, measurements of the cross sections of Standard Model processes producing prompt photons, and searches (leading to discovery!) of a Standard Model Higgs boson decaying to final states containing photons.

Des progr ès exp erimentaux importants sont en cours dans l' étude des d ésint égrations rares de m ésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail pr ésent mesure la port ée indirecte de ces progr ès sur des extensions supersym etriques du mod èle standard. Même dans des mod èles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersym étriques. La pr écision gagn ée par les facteurs de forme et les corrections d'ordre sup érieur nouvellement impl ément és dans le programme public "SuperIso" montrent alors leur importance.

Double Chooz (DC) est une expérience d'oscillation de neutrinos auprès de réacteurs, dont la finalité est la mesure du dernier angle de mélange encore inconnu θ13 . Elle hérite de l'expérience passée CHOOZ qui était limitée par des erreurs statistiques et systématiques à un niveau similaire d'environ 2.8%. Afin de diminuer l'erreur statistique, la masse de la cible du détecteur DC a été augmentée tandis que la réduction de l'erreur systématique est assurée par l'utilisation de deux détecteurs identiques. Un détecteur sera situé dans le voisinage des coeurs des réacteurs dans le but de contrôler le flux et le spectre des anti-νe émis alors que l'autre sera placé à l'endroit où l'effet d'oscillation maximal est attendu. Le premier est communément dénommé 'détecteur proche' par opposition au second dénommé 'd ́etecteur lointain'. Les erreurs attendues sont 0.5% (stat.) et 0.6% (syst.) pour une ultime mesure sin2 2θ13 = 0.05 (θ13 = 6.5◦ ) à trois écart-type après trois années de prise de données. Le démarrage du détecteur lointain est attendu pour novembre 2010 tandis que le détecteur proche sera opérationnel pour la mi-2012. Cette thèse présente tout d'abord une contribution matérielle à l'expérience avec le test des Flash-ADCs qui constituent le coeur du système d'acquisition. Ensuite, elle présente des analyses effectuées sur des simulations Monte Carlo afin d'optimiser la conception du détecteur. Ce travail était composé d'analyses dans le but de choisir des composantes du détecteur avec la contamination radioactives qui convient, des analyses dans le but d'obtenir la meilleure résolution en énergie possible et une manière de déclencher la sauvegarde des données par le système d'acquisition la plus stable et la plus robuste possible. Les travaux sur l'optimisation du détecteur et les connaissances acquises sur les Flash-ADCs nous ont amené à envisager une nouvelle reconstruction spatiale basée sur le temps de vol des photons. Toutes ces contributions à l'expérience sont présentées en détails à travers ce manuscrit.

Using data collected with the BABAR detector at the SLAC PEP-II electron-positron storage ring operating at a centre-of-mass energy near 10.58 GeV, the branching fractions $B(\tau^- \to \pi^-\pi^-\pi^+\nu_\tau) =(8.83\pm0.01\pm0.13)\%$, $B(\tau^- \to K^-\pi^-\pi^+\nu_\tau) =(0.273\pm0.002 \pm 0.009)\%$, $B(\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau) =(0.1346 \pm 0.0010 \pm 0.0036)\%$, and $B(\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau) =(1.58 \pm 0.13 \pm 0.12)\times10^{-5}$ are measured where the uncertainties are statistical and systematic, respectively. The invariant mass distribution for the $\tau^- \to \pi^-\pi^-\pi^+\nu_\tau$, $\tau^- \to K^-\pi^-\pi^+\nu_\tau$, $\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau$, and $\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau$ decays are unfolded to correct for detector effects. A measurement of $B(\tau^- \to \phi\pi^-\nu_\tau)=(3.42\pm0.55\pm0.25)\times10^{−5}$, a measurement of $B(\tau^- \to \phi^-K^-\nu_\tau) =(3.39\pm0.20\pm0.28)\times10^{−5}$ and an upper limit on $B(\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau [ex.\phi]) < =2.5\times10^{−6}$@90\%CL are determined from a binned maximum likelihood fit of the $\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau$ and $\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau$ $K^+K^−$ invariant mass distributions. The branching ratio $B(\tau^- \to K^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to\pi^-\nu_\tau)$ is measured to be $(6.531\pm0.056\pm0.093)\times10^{−2}$ from which $|V_{us}|$ is determined to be $0.2255 \pm 0.0023$. The branching ratio $B(\tau^- \to \mu^-\nu_\tau\bar{\nu}_\mu)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e) =(9.796 \pm 0.016 \pm 0.035)\times10^{−1}$ is measured enabling a precision test of the Standard Model assumption of charged current lepton universality, $g_{\mu}/g_{e}=1.0036 \pm 0.0020$. The branching ratios $B(\tau^- \to K^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e)=(3.882 \pm 0.032 \pm 0.056)\times10^{−2}$, and $B(\tau^- \to\pi^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e)=(5.945 \pm 0.014 \pm 0.061)\times10^{−1}$ are measured which provide additional tests of charged current lepton universality, $(g_{\tau}/g_{\mu})_{\pi}= 0.9856 \pm 0.0057$ and $(g_{\tau}/g_{\mu})_{K}= 0.9827 \pm 0.0086$ which can be combined to give $(g_{\tau}/g_{\mu})_{\pi/K}= 0.9850 \pm 0.0054$. Any deviation of these measurements from the expected Standard Model values would be an indication of new physics.

Detector mis-modelling or hardware problems may cause an excess of Missing Transverse Energy (MET) to be inferred in physics events recorded in ATLAS, leading to higher than expected backgrounds for new physics. In particular, non-Gaussian tails in the MET distribution are unlikely to be well modelled in Monte Carlo simulations. To account for this, a technique has been established to improve the background predictions derived from Monte Carlo simulations. This is done using a correction derived through comparison of control samples in data and Monte Carlo simulation. Two different control samples are used to create the correction, giving a range of predictions for the shape of the MET tail and aiding the calculation of systematic errors. This technique is then applied to several samples which are potential backgrounds to new physics which give detector signatures which include MET. / Graduate

An intra-pulse Interaction Point fast feedback system (IPFB) has been designed for the Next Linear Collider (NLC), to correct relative beam-beam misalignments at the Interaction Point (IP). This system will utilise the large beam-beam kick that results from the beam-beam interaction and apply a rapid correction to the beam misalignment at the IP within a single bunch train. A detailed examination of the IPFB system is given, including a discussion of the necessary electronics, and the results of extensive simulations based on the IPFB concept for fast beam correction are presented. A recovery of the nominal luminosity of the NLC is predicted well within the NLC bunch train of 266 ns. The FONT experiment - Feedback On Nanosecond Timescales - was proposed as a direct test of the IPFB concept and was realised at the NLC Test Accelerator at SLAC. As part of FONT, a novel X-band BPM was designed and tested at the NLCTA. The results of these tests with the NLCTA short and long-pulse beam are presented, demonstrating a linear response to the position of the 180 ns long-pulse beam: measurements show a time constant of ~1.5 ns and a precision of better than 20 microns. A novel BPM processor for use at X-band, making use of the difference-over-sum processing technique, is also presented in detail, with results given for both short and long-pulse beams. The FONT design concepts and modification of the IPFB system for use at the NLCTA are described. The design of a fast charge normalisation circuit, to process the difference and sum signals produced by the BPM processor, forming part of the FONT feedback circuit, is detailed extensively. Bench tests of the feedback electronics demonstrate the effectiveness of the normalisation and feedback stages, for which a signal latency of 11 ns was measured. These bench tests also show the correct operation of the normalisation and feedback principles. Finally, the results of a full beam test of the FONT system are presented, during which a system latency of 70 ns was measured. These rigorous tests establish the soundness of the IPFB scheme and show correction of a mis-steered bunch train within the full NLCTA pulse length of 180 ns.

This thesis presents the results of a comparison between collision data and simulations based on Monte Carlo methods. The experimental dataset consists of $20.3\,\mathrm{fb}^{-1}$ of proton-proton collision data at $\sqrt s = 8\tev$ collected during 2012 by the ATLAS experiment located at the Large Hadron Collider. The final state used is $e\mu + \mathrm{jets}$. Four regions are defined, pretag ($\geq0$ jets, $\geq0$ $b$-jets), $\geq1$-tag ($\geq1$ jets, $\geq1$ $b$-jets), $\geq2$-jet ($\geq2$ jets, $\geq0$ $b$-jets), and 2-tag ($\geq2$ jets, 2 $b$-jets). Data and simulations are consistent in all regions considered.

Using data collected with the BABAR detector at the SLAC PEP-II electron-positron storage ring operating at a centre-of-mass energy near 10.58 GeV, the branching fractions $B(\tau^- \to \pi^-\pi^-\pi^+\nu_\tau) =(8.83\pm0.01\pm0.13)\%$, $B(\tau^- \to K^-\pi^-\pi^+\nu_\tau) =(0.273\pm0.002 \pm 0.009)\%$, $B(\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau) =(0.1346 \pm 0.0010 \pm 0.0036)\%$, and $B(\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau) =(1.58 \pm 0.13 \pm 0.12)\times10^{-5}$ are measured where the uncertainties are statistical and systematic, respectively. The invariant mass distribution for the $\tau^- \to \pi^-\pi^-\pi^+\nu_\tau$, $\tau^- \to K^-\pi^-\pi^+\nu_\tau$, $\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau$, and $\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau$ decays are unfolded to correct for detector effects. A measurement of $B(\tau^- \to \phi\pi^-\nu_\tau)=(3.42\pm0.55\pm0.25)\times10^{−5}$, a measurement of $B(\tau^- \to \phi^-K^-\nu_\tau) =(3.39\pm0.20\pm0.28)\times10^{−5}$ and an upper limit on $B(\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau [ex.\phi]) < =2.5\times10^{−6}$@90\%CL are determined from a binned maximum likelihood fit of the $\tau^- \to K^-\pi^-K^+\nu_\tau$ and $\tau^- \to K^-K^-K^+\nu_\tau$ $K^+K^−$ invariant mass distributions. The branching ratio $B(\tau^- \to K^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to\pi^-\nu_\tau)$ is measured to be $(6.531\pm0.056\pm0.093)\times10^{−2}$ from which $|V_{us}|$ is determined to be $0.2255 \pm 0.0023$. The branching ratio $B(\tau^- \to \mu^-\nu_\tau\bar{\nu}_\mu)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e) =(9.796 \pm 0.016 \pm 0.035)\times10^{−1}$ is measured enabling a precision test of the Standard Model assumption of charged current lepton universality, $g_{\mu}/g_{e}=1.0036 \pm 0.0020$. The branching ratios $B(\tau^- \to K^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e)=(3.882 \pm 0.032 \pm 0.056)\times10^{−2}$, and $B(\tau^- \to\pi^-\nu_\tau)/B(\tau^- \to e^-\nu_\tau\bar{\nu}_e)=(5.945 \pm 0.014 \pm 0.061)\times10^{−1}$ are measured which provide additional tests of charged current lepton universality, $(g_{\tau}/g_{\mu})_{\pi}= 0.9856 \pm 0.0057$ and $(g_{\tau}/g_{\mu})_{K}= 0.9827 \pm 0.0086$ which can be combined to give $(g_{\tau}/g_{\mu})_{\pi/K}= 0.9850 \pm 0.0054$. Any deviation of these measurements from the expected Standard Model values would be an indication of new physics.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho investigamos a produção e detecção de novas ressonâncias de uma extensão do Modelo Padrão, o modelo 331, no detector CMS. Este modelo prediz que o número de famílias de férmions seja múltiplo de número de cor dos quarks e apresenta como assinaturas características a existência de novos bósons como o Z' e os bi-léptons duplamente carregados. Concentramos na busca destas ressonâncias de alta massa decaindo em di-múons, no caso do Z', e no canal de 2 múons e 2 elétrons para os estudos sobre os bi-léptons. O método de verossimilhança foi utilizado para quantificar a probabilidade da descoberta do Z', que possui como fundo irredutível o processo Drell Yan. Estudamos também a produção de bi-léptons que são uma assinatura única deste modelo. / In this work, we study the production and detection of the new resonances of an extension of Standard Model, the 331 model, in the CMS detector. This model predicts that the number of fermion families to be a multiple of the number of quark colors and it has as special signatures new bosons, the Z' and the double charged bi-leptons. In the Z' boson analysis, we search it through modification in the mass spectrum of highmass dimuons pairs and for the double charged bi-leptons search in the 2 muons and 2 electrons decay channel. The potential discovery of Z' boson was estimated using the Likelihood Method where the Drell-Yan process is the main background. The bi-leptons are an exclusive signature of model, which was used to discriminate this model.