Ce travail présente la mesure de la section efficace différentielle du boson Z en impulsion transverse (ptz), dans le canal de désintégration electron-positron, avec le détecteur ATLAS au LHC. La mesure utilise 4.64 inverse fb de données de collisions proton-proton, prises en 2011 avec une énergie du centre de masse de 7 TeV. Le résultat est combiné avec une mesure indépendante faite dans le canal muon-antimuon. La mesure est faite jusqu'à ptz = 800 GeV, et a une incertitude typique de 0.5 % pour ptz < 60 GeV, atteignant jusqu'à 5 % vers la fin du spectre. La mesure est comparée avec modèles théoriques et prédictions des générateurs Monte Carlo.

Les trois première s ann ées de fonctionnement de l'exp erience ATLAS au LHC, aux r esultats fructueux, ont ouvert l'acc es a la physique expérimentale a l' échelle du TeV. Les travaux effectues dans ce contexte ont port e a la fois sur des aspects de performance (reconstruction des électrons) et d'analyse (recherche de nouvelle physique). La première partie est consacrées aux mesures in situ des e cacit es de reconstruction et d'identi cation des électrons. La méthodologie employée pour réaliser ces mesures dans les donn ées est pr esent ée en d étails ainsi que les méthodes d evelopp ées pour l'estimation du bruit de fond r ésiduel. La deuxi ème partie traite de la recherche de Supersym etrie dans les ev enements avec deux leptons ( électrons ou muons) de charges identiques, accompagné es de jets et eventuellement d' energie transverse manquante, bas ee sur l'ensemble des donn ees collect ees par ATLAS en 2012 (soit 21 fb$^{-1}$ a $\sqrt{s}$ = 8 TeV). Ces états fi naux sont particulièr ement appropries a la recherche de gluinos ou de squarks de troisi eme g en eration. Les principaux aspects de l'analyse sont d ecrits, notamment les m ethodes d'estimation des di erents bruits de fond. L'absence d'exc es dans les r egions de signal par rapport aux prédictions du Mod ele Standard est interpr et ée en termes de limites sur les masses des superpartenaires, dans le cadre de mod èles aux spectres de masse simpli fiés. Ainsi, dans les modes de d esint egrations etudi es, l'existence de gluinos de masse inférieure a 1 TeV, ou de sbottoms de masse inf érieure a 500 GeV, est exclue.

Je présente dix années d'activité passées sur l'expérience BaBar ainsi que mon projet de recherche sur l'expérience AMS. Je décris les installations expérimentales relatives à BaBar et les principaux résultats apportés par l'expérience. Ensuite je détaille mes sujets de recherche qui sont liés à l'étude des états finals B -> Dbar(*) D(*) K. Ces états finals sont au nombre de 22 et présentent des propriétés très intéressantes à mesurer. Tout d'abord, ils constituent une fraction non négligeable des désintégrations des mésons B et une mesure des rapports d'embranchement est ainsi présentée. Cette mesure permet une étude des relations d'isospin entre tous les états finals. Ces désintégrations permettent également de retirer des informations utiles sur les angles du triangle d'unitarité, qui sont liés à la violation de CP. Les événements B -> Dbar(*) D(*) K contiennent de nombreuses résonances, dont certaines sont encore mal connues et demeurent mystérieuses. Je décris l'étude qui est faite sur des résonances telles que le X(3872) ou le Ds1*(2700), en utilisant des distributions de masses invariantes ou des diagrammes de Dalitz. Enfin, mon projet de recherche sur AMS est présenté, et j'explique l'intérêt d'une mesure de la fraction de positons, et à terme, du flux de positons. Des déviations de ces mesures par rapport aux prédictions pourraient être le signe de pulsars proches, mais également pourraient constituer une observation indirecte de l'annihilation de matière noire.

Différents environnements gravitationnels à 4 dimensions sont abordés dans ce thése : instantons gravitationnels et trous noirs aussi bien en relativité générale qu'en supergravité. La recherche de nouvelles solutions en relativité est un véritable défi. Cette tâche est nettement simplifiée dans l'hypothèse où l'on dispose d'un tenseur de Riemann auto-dual. Ces solutions sont dites instantons gravitationnels. L'évolution des instantons est décrite par un flot géométrique. Ce lien est analysé en détail, en focalisant l'attention sur le rôle du tensor de Ricci dans le flot géométrique. En espace de type Anti-de-Sitter (AdS), trouver de nouveaux trous noirs avec symétrie axiale est une question toujours ouverte. Cette question peut être posée dans le contexte des fluides holographiques. Trous noirs en rotation correspondent à des fluides aux vorticités particulières. En imposant que la solution soit régulière sur l'horizon, le fluide acquiert la forme d'un fluide parfait. Des conditions nécessaires afin que la correspondence entre solution gravitationnelle et théorie hydrodynamique, qui se fait usuellement par un développement perturbatif, puisse être ressommé et pour qu'on puisse trouver des solutions exactes de la relativité ont etées trouvées. Le comptage de l'entropie des trous noirs dans des espaces AdS ne fait toujours pas partie des résultats connus. Dans le cas des solutions en rotation des théories de supergravité N=2, une relation entre trous noirs extremaux non-BPS en espace plat et trous noirs BPS en espace AdS a été mise au point. La connexion entre cettes solutions donne des informations sur le comptage microscopique.

Deux analyses de physique des particules à hautes énergies sont présentées dans ce manuscrit de thèse, utilisant des événements avec deux leptons de charges opposées et de l'énergie transverse manquante. Ces événements sont sélectionnés parmi 9.7 fb-1 de données totales de collisions pp enregistrées par le détecteur DØ auprès du collisionneur TeVatron du Fermilab à √s=1.96 TeV.La première analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en H→WW→μνμν. Aucun excès significatif au-dessus de l'attente pour le bruit de fond n'est observé.Des limites supérieures sur la section efficace de production du boson de Higgs sont donc calculées dans le cadre du modèle standard mais aussi dans l'hypothèse de l'existence d'une quatrième génération de fermions et dans le contexte de couplages fermiophobiques du boson de Higgs.Pour valider la méthodologie de cette recherche, la section efficace de production de la paire de bosons W est mesurée.La seconde analyse est la mesure de l'asymétrie avant-arrière de production de la paire tt. Il s'agit de la première mesure dans le canal dileptonique de l'expérience DØ. Dans ce contexte, une méthode inédite de reconstruction de la cinématique de la paire est utilisée (méthode des éléments de matrice) pour donner une mesure brute de l'asymétrie avant-arrière. A l'aide d'une méthode de calibration dédiée, nous donnons une mesure finale de AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).

Une solution au problème astrophysique de la matière sombre pourrait être apportée par la détection de WIMPs, particules prédites par la supersymétrie. Sa détection directe nécessite de grandes masses de détecteurs capables d'identifier le signal d'un WIMP parmi le fond radioactif et cosmique environnant. Cette thèse se déroule dans le cadre de l'expérience EDELWEISS et la future expérience EURECA qui lui succédera. Ces expériences utilisent une technologie basée sur des détecteurs cryogéniques (bolomètres) à double voies, fonctionnant à quelques dizaines de mK. Ils sont constitués de cristaux qui sont le siège des interactions des particules, dont les dépôts d'énergie vont entraîner une élévation de température ainsi que l'ionisation du cristal, pouvant entraîner des charges ou des photons selon sa nature. Afin d'augmenter la palette de cibles pouvant faire office de bolomètres scintillants, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'étudier la scintillation de cristaux refroidis jusqu'à 3 K. Il est basé sur un cryostat à géométrie optique compacte permettant une collecte de lumière améliorée. Une méthode de comptage de photons individuels ainsi qu'un traitement statistique des données permettent de mesurer l'évolution du rendement lumineux et des constantes de temps de scintillation de cristaux entre la température ambiante et 3K. Cette thèse présente ainsi les résultats obtenus à 3 K avec ce dispositif expérimental sur deux cristaux, bien connus à température ambiante: le BGO (Bi4Ge3O12) et le BaF2. Nous présentons également les résultats sur la luminescence du saphir dopé au titane (Ti:Al2O3), sous VUV et refroidi à 8 K.

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

Les thèmes abordés et développés dans ce manuscrit ont pour objectif de proposer une nouvelle voie pour tester, d'une manière directe, la symétrie de renversement du temps (T) : voie offerte par le LHC grâce à la production copieuse de baryons beaux, spécialement le Λb dont les canaux de désintégration en ΛV(1-) révèleraient l'existence de nouvelles observables impaires par T. L'accent est mis sur l'importance de la polarisation initiale du Λb produit dans les collisions p-p et, surtout, sur celles des résonances intermédiaires issues du Λb. Nous présentons en premier lieu le cadre théorique du travail effectué et en second lieu les différentes voies concernant la recherche directe de la violation de T. Un modèle phénoménologique étudiant la désintégration Λb → Λ J/Ψ a été développé à partir duquel les distributions angulaires ont été calculées. Une étude approfondie de la reconstruction et de la sélection du canal Λb → Λ J/Ψ est exposée ainsi que celle du canal Bd0→ J/Ψ Ks0 ; canal utilisé pour valider la méthode d'extraction du temps de vie du Λb. Sur un autre plan et grâce au démarrage du LHC, une analyse préliminaire des premières données enregistrées par le LHCb a été effectuée ainsi qu'une première mesure prometteuse de la polarisation de l'hypéron Λ.

Le futur collisionneur électron-positon ILC est un projet d'envergure internationale. Il doit poursuivre le programme scientifique actuellement en cours auprès du Large Hadron Collider (LHC) lorsque celui-ci aura atteint les limites de sa sensibilité. Cet ambitieux projet d'accélérateur nécessitera également la mise en place de nouveaux concepts du point de vue de la détection. Afin d'optimiser la reconstruction des événements, une approche basée sur le suivit de particule (Particle Flow) a ainsi été adoptée. Jusqu'à aujourd'hui, les calorimètres hadroniques ont souvent représenté le point faible des expériences de physique des hautes énergies auprès de collisionneurs. En effet, leur faible granularité dégrade fortement la résolution en énergie des jets reconstruits. Dans le cas de l'ILC, il est envisagé d'utiliser des calorimètres de forte granularité de manière à distinguer clairement chaque dépôt d'énergie. Il est ainsi possible d'améliorer la résolution en énergie globale de l'expérience en utilisant le détecteur le plus approprié pour caractériser chaque particule fille issue de la collision. Les membres de la collaboration CALICE sont en charge du développement de ces calorimètres ultra granulaires. Dans ce cadre, plusieurs projets de calorimètres sont à l'étude afin de s'assurer que la technologie finalement choisie soit optimale. Durant ces trois dernières années, j'ai participé au développement de l'un de ces détecteurs : le calorimètre hadronique semi digital SDHCAL. Cet instrument utilise des chambres à plaques résistives de verre (GRPC) en tant qu'élément sensible. Ce calorimètre à échantillonnage comporte 48 plans de détection successifs séparés par de l'acier. Il est segmenté latéralement en cellules de un centimètre carré, pour un total de 50 millions de canaux. La dissipation thermique de l'électronique de lecture embarquée est un facteur clef du projet. Afin d'atteindre une forte granularité tout en évitant d'utiliser un système de refroidissement actif, nous utilisons une électronique de lecture à seuils (semi-digitale) optimisée pour une faible consommation électrique. De plus un mécanisme d'alimentation pulsée a été implémenté dans les puces de lecture. Il utilise la structure en trains des faisceaux du collisionneur pour réduire d'un facteur 100 l'énergie consommée. Ce mécanisme a été mis en oeuvre récemment par notre équipe, prouvant la validité de ce scénario. Après deux années passés à développer nos chambres de détection GRPCs, la mise au point de l'électronique de lecture ayant eut lieu en parallèle, nous avons été capables de produire nos premiers détecteurs de un mètre carré. J'ai ensuite été fortement impliqué dans la construction d'un prototype physique afin de prouver la validité de notre concept de calorimètre. Ce détecteur de un mètre cube contient plus de 400 000 canaux, et pèse presque 10 Tonnes. Durant les derniers mois de ma thèse j'ai contribué activement à la mise en fonctionnement de ce prototype auprès des lignes de faisceaux du CERN. Les premières gerbes hadroniques enregistrées durant cette période ont prouvé par leur qualité que le système fonctionne parfaitement sur le plan technologique. La prochaine étape sera l'exploitation des données enregistrées récemment pour obtenir la résolution en énergie intrinsèque du SDHCAL. Dans quelques années, ce projet ainsi que les projet concurrents seront évalués par une commission en charge de sélectionner la meilleure option pour chaque sous détecteurs de l'ILC.

La première partie rapporte la caractérisation de prototypes de chambre MICROMEGAS en tests sous faisceaux et en laboratoire. L'étude détaille notamment l'efficacité de détection, la multiplicité de la réponse et dépendance du gain du détecteur vis à vis des conditions environnementales. Dans la seconde partie, La détection d'un boson de jauge Z', prédit par différends modèles de types Randal-Sundrum est étudiées dans le cadre de l'expérience CLIC. Le canal considéré implique l'émission du Z' par une paire de quarks top. Le Z' se désintègre ensuite en particules de matière noire.