Ce document résume et ordonne quelques dix années de recherche de son auteur dans le domaine des mesures de précision électrofaibles. Le lecteur y trouvera la description de mesures d'observables de quarks lourds produits au pôle du boson Z et étudiés par le détecteur ALEPH auprès du collisionneur électron-positron LEP jusqu'à des analyses phénoménologiques des données de physique des saveurs conduites au sein du groupe CKMfitter. Une large partie de ce document est consacrée aux travaux non encore publiés de conception, de tests, de production, d'installation et de mise en œuvre des dispositifs électroniques qui équipent le détecteur de pied de gerbes du calorimètre électromagnétique de l'expérience LHCb auprès du LHC.

Le document résume dix années d'activités dans le domaine de la physique des particules expérimentale, postérieures à ma soutenance de thèse en 1999. Après une courte introduction rappelant mon parcours et mon travail de thèse, le premier chapitre décrit une analyse effectuée après ma thèse dans l'expérience ALEPH au LEP, concernant la mesure des corrélations de Bose -Einstein dans les désintégrations de paires de bosons W, avec une méthode de mélange d'évènements. L'essentiel du manuscrit est toutefois dédié au travail effectué dans l'expérience ATLAS auprès du LHC entre les années 2000 et 2010. Quatre volets principaux sont abordés: la description d'une analyse prospective sur de possibles recherches de désintégrations supersymétriques du quark top violant la R-parité; la mise au point d'un banc de test pour l'électronique frontale du calorimètre hadronique à tuiles scintillantes et l'installation de cette électronique au sein d'ATLAS; la construction du détecteur à rayonnement de transition et l'installation de l'électronique frontale des bouchons; et enfin les activités de software concernant la reconstruction des photons convertis. Le dernier chapitre avant la conclusion résume mes activités d'enseignement, d'encadrement et de communication scientifique.

Dans cette thèse, je présente mon travail effectué au sein de l'expérience CMS, et consacré à la recherche du boson de Higgs du modèle standard dans sa voie de désintégration en une paire de leptons tau. L'objectif original et la finalité de cette recherche est une contribution à la découverte du boson de Higgs au LHC. Après un résumé du cadre théorique et expérimental de ma thése, j'expose la technique particle-fow développée pour la reconstruction des événements hors ligne enregistrés par CMS. La reconstruction et l'identification des leptons tau dans CMS sont décrites en détail dans la thèse. Une attention particulière est consacrée à la discrimination entre les électrons et les leptons taus qui se désintégrant en voie semi-leptoniques (donnant des neutrinos et des hadrons). Un élément crucial dans l'étude H -> tautau est la reconstruction de la masse invariante. Sur ce sujet, j'ai apporté des contributions originales au développement d'un Dynamical Likelihood Model, appelé SVfit, pour estimer la masse totale de la paire des taus, et qui sera utilisé pour l'analyse. Enfin, une recherche du boson de Higgs SM dans la voie H -> tautau , base sur 4.9 1/fb de collisions pp à sqrt(s) = 7 TeV, est présentée. Des événements avec une paire de taus sont sélectionnés où l'un se désintégre de façon semi-leptonique (i.e. en hadrons et neutrinos) et l'autre en façon leptonique (i.e. en muons ou électrons et en neutrinos). Aucun excès par dessus aux bruits de fond prédicts par le SM n'a été observé. L'interprétation statistique des résultats à été faite dans le cadre du SM et elle est finalement traduite en limites au 95% CL sur la section efficace du signal.

Le but premier de la physique des hautes énergies est d'améliorer notre connaissance de la structure fondamentale de la matière, et notamment des particules qui constituent le monde. L'une d'entre elles est le quark top, qui fut découvert en 1995 par les collaborations CDF et DØ auprès du collisionneur protons-antiprotons Tevatron. Un des buts principaux du Tevatron a été depuis l'étude fine des propriétés du quark top, et en particulier de la section efficace de production de paires top-antitop. Différentes analyses ont été menées dans les canaux leptons (μ,e,tau) + jets, dileptons, et tout hadronique afin de déterminer le plus précisément possible les valeurs de ces paramètres, et ainsi de tester la validité du Modèle Standard. Le but principal de cette thèse est de vérifier une des prédictions théoriques du Modèle Standard de la physique des particules, à savoir la section efficace de production top-antitop auprès du collisionneur Tevatron. Le canal étudié est constitué d'un muon, d'un lepton tau, de leurs neutrinos associés, et de deux jets de quark b (l'un d'entre eux provenant d'un quark b, l'autre d'un anti-quark b. La reconstruction et l'identification des jets, des muons, des leptons taus (en particulier par l'utilisation d'un réseau de neurones dédié), et l'étiquetage des jets de b, représentent les éléments fondamentaux de cette étude. Au final, un bon accord entre les données et la simulation Monte Carlo est obtenu à la dernière étape de cette analyse. En outre la mesure finale et la prédiction théorique au niveau NLL+NLO du calcul des perturbations sont compatibles.

Cette thèse présente une mesure de la section efficace de production du quark-top célibataire en voie t avec 1.04 fb-1 de données recueillies par le détecteur ATLAS au LHC à partir de collisions proton-proton d' énergie centre de masse sqrt(s) = 7 TeV. Les événements sélectionnés contiennent un lepton, de l'énergie transverse manquante, et deux ou trois jets, l'un d'eux étant étiqueté comme étant issu d'un quark-b. Le modèle pour le bruit de fond se compose des processus multijets, W+jets et production de paires de quarks top ainsi que de contributions moindres venant d' événements Z+jets et diboson. En utilisant une sélection basée sur la distribution d'un discriminant multivarié construit avec des arbres de décision stimulés, la section efficace de production de quark-top célibataire en voie t a été mesurée. La valeur de 97.3+30.7-30.2 pb a été obtenue. Ce résultat est en bon accord avec la prédiction du Modèle Standard. En supposant que les éléments de la matrice CKM reliée au quark-top obéissent à la relation |Vtb|>>|Vts|, jVtd|, la force du couplage W-t-b est extraite à partir de la section efficace mesurée, |Vtb| = 1.23+0.20-0:19. Si on suppose que |Vtb| <= 1, une limite inférieure |Vtb| > 0.61 est obtenue avec un niveau de confiance de 95%.

Dans la continuité des expériences SuperKamiokande et K2K, OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus), cherchera à confirmer l'oscillation des neutrinos dans le secteur atmosphérique. Utilisant une technique déjà employée dans CHORUS et DONUT, la chambre à brouillard d'émulsion (Emulsion Cloud Chamber (ECC)), cette expérience permettra la mise en évidence de l'oscillation nµ® nt par apparition de nt dans un faisceau pur de nµ.<br />L'expérience OPERA, avec ses ~100000 m2 d'émulsions nucléaires, nécessite l'utilisation de systèmes de scan automatiques ultra rapides. Les composantes optiques et mécaniques de ces systèmes ont été optimisées pour atteindre une vitesse de scan de ~20 cm2/heure par couche d'émulsion (44 μm d'épaisseur), tout en gardant une résolution sub-micrométrique.<br />Dans la première partie de mon travail de thèse, je me suis consacrée à l'optimisation des 4 systèmes de scan au sein de l'unique station de scan française basée à Lyon. Une étude expérimentale sur les performances d'un scan utilisant un objectif à sec a été également réalisée. Les résultats obtenus montrent que les performances d'un scan « à sec » sont similaires à celles d'un scan traditionnel utilisant un objectif à huile. <br />La deuxième partie de mon travail a consisté à valider la stratégie actuellement utilisée dans OPERA pour la localisation et la reconstruction des vertex de l'interaction des neutrinos, à l'aide d'un test sur faisceau dédié. Les résultats obtenus confirment définitivement que la stratégie proposée est bien adaptée à la recherche du lepton tau.

L'expérience OPERA propose de mettre en évidence l'oscillation par apparition du dans un faisceau pur en . Ce faisceau est produit au CERN, puis dirigé sur le détecteur situé à 732 km plus loin. Le détecteur OPERA est composé de deux spectromètres à muons et d'une cible formée de murs de briques qui sont une alternance de feuilles de plomb et d'émulsions. Cette structure permet de reconstruire avec une haute résolution spatiale la topologie de désintégration en coude du tau. Le grand défi de l'expérience OPERA est de pouvoir mettre en évidence les interactions avec le moins d'incertitude possible à travers l'identification de tout événement de bruit de fond ne comportant pas un . C'est à ce niveau que mon travail apporte une contribution intéressante en offrant la possibilité de réduire d'avantage le bruit de fond. Ma contribution principale d'analyse concerne le développement de la sélection, de la reconstruction et l'identification des muons de basse énergie à l'aide des émulsions nucléaires. Ce travail repose sur la mise en corrélation de variables sensibles à la fois à la perte d'énergie et à la diffusion multiple. Auparavant, seule l'énergie perdue était utilisée dans les analyses de séparation . Mon étude a permis de doubler l'efficacité d'identification des muons de basse énergie ce qui va permettre d'accroître la puissance de rejet des événements de bruit de fond et de diminuer la contamination de 30%. J'ai également étudié le pouvoir des émulsions dans l'identification et la séparation des particules chargées à travers l'analyse d'un test réalisé par le groupe de Nagoya au Japon contenant des protons et des pions de différentes énergies. J'ai montré que le système de scan Européen donne des résultats comparables aux résultats obtenus par le système de scan Japonais.

La collaboration ANTARES construit un télescope à neutrinos en mer Méditerranée. Ce détecteur est composé de 900 PM répartis sur 12 lignes afin de détecter le cône Cherenkov du au muon induit par l'interaction d'un neutrino dans le détecteur. Actuellement les 5 premières lignes de cet instrument ont été connectées. Un premier travail a consisté à étudier la stabilité des calibrations du détecteur, nécessaire pour bien en comprendre le fonctionnement. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés optiques de l'eau en développant une méthode de reconstruction dédiée aux balises LED. Les paramètres ainsi extraits étant comparables avec ceux des précédents tests. Nous proposons ici des critères de qualité visant à rejeter les événements mal reconstruits. Ceuxci ont ensuite été appliqués aux données réelles afin de réaliser une analyse préliminaire des muons atmosphériques avec un détecteur à 5 lignes. Les résultats sont comparables à la simulation.

This project contributes to the research and development studies towards successful commissioning of the SuperKEKB electron-positron collider. This accelerator and storage rings complex aims at delivering the high-luminosity collisions of beams of electrons and positrons needed for the Belle II experiment. Such beams produce parasitic radiation—called “machine-induced backgrounds”, or simply “beam backgrounds” — that have detrimental effects on the experimental apparatus performance and durability. The Beast II effort is dedicated to measuring the beam backgrounds, and aims at testing the predictive power of the background models that were used in various phases of the Belle II design. A second objective is to ensure that the environment is safe for the detector prior to installing it around the beam lines. A major component of beam backgrounds consists of electromagnetic radiation. This study focusses on measuring this radiation at the location of the Belle II electromagnetic calorimeter. The measurements were achieved by placing scintillator crystals at positions representative of the Belle II calorimeter crystals that are the closest to the beam lines, and comparing the data with predictions for different operating parameters of the accelerator. Different phenomena related to machine backgrounds were observed: vacuum scrubbing, the electron-cloud effect, injection-related noise, beam-gas scattering and Touschek losses. Studies on the positron ring showed average background levels 13.5 +/- 3.5 times larger than simulation, whereas that ratio reached O(100-1000) for the electron ring. In the latter, the large uncertainty on the pressure measurements and the gas constituents limit the predictive power of the measurements. Radiation shields were also designed, fabricated, delivered and installed in the detector to protect the electromagnetic calorimeter from radiation coming from the beam lines. / Graduate

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.