The international community is in agreement that a lepton collider in the TeV centre of mass energy range is required to leverage discoveries made at the Large Hadron Collider and expand the physics programme. Two future colliders are proposed. The International Linear Collider (ILC) will collide electron and positron bunches at a centre of mass energy of 500 GeV, upgradable to 1 TeV. The Compact Linear Collider (CLIC) is designed to reach 3 TeV. This thesis investigates the wakefields, which degrade the beam quality, and beam dynamics in the main linacs of the ILC, presenting the first direct comparison of beam dynamics for linacs made up of the alternative high gradient superconducting cavity designs - the Reentrant and Ichiro cavities. Higher order modes of the electromagnetic field in the cavities, which will be excited by the passage of the bunches, are calculated using finite difference and finite element techniques. A trapped dipole mode in the Ichiro cavity at 2.4498 GHz is identified. These modes are used as the basis for the beam dynamics studies. These simulations have demonstrated that ILC linacs made up of the new high gradient cavities, with targeted damping, would meet wakefield requirements for delivering high quality beams for particle physics studies. This result is important since any upgrade of the ILC from 500 GeV to 1 TeV centre of mass energy would make use of one of these high gradient cavity designs in the extension to the linacs. Beam dynamics in the CLIC beam delivery system (BDS), are also detailed. Simulations included deflecting mode Crab Cavities required to maximise collision luminosity when there is a crossing angle, and verify analytic results for the required deflecting voltage and tolerances to phase differences. The tolerance to crab cavity roll angle is found to be extremely tight, at 5.9 millidegrees. Additionally, results in this thesis uncover a problem with the BDS magnet layout which must be addressed.

En utilisant les outils de Monte Carlo et les données de test en faisceau, la performance d'un détecteur au futur collisionneur linéaire international a été étudiée. La contribution de cette thèse porte sur deux parties; d'une part sur une mesure de précision de la masse du boson Higgs et de la section efficace de la production avec le processus e^+e^- → HZ où le boson Z se désintègre en paire μ^+μ^− et d'autre part sur une analyse des données de test en faisceau de la collaboration CALICE (CAlorimeter for Linear Collider Experiment). Pour un Higgs de 120GeV, nous avons obtenu une précision de 38.4MeV sur la masse de Higgs et de 5% sur la section efficace en choisissant une énergie dans le centre de masse optimale de 230 GeV et avec une luminosité intégrée de 500 fb^-1. Ces résultats sont indépendants d'un modèle de Higgs donné puisque aucune information sur la désintégration du Higgs n'a été utilisée dans l'analyse. Si on suppose que le Higgs est celui du modèle standard ou il se désintègre principalement en particules invisibles, la précision peut être améliorée de façon significative (29MeV pour la masse et 4% pour la section efficace). Pour l'analyse des données de test en faisceau, mon travail concerne deux aspects. Premièrement une vérification sur la qualité des données en temps quasi réel et deuxièmement une mesure précise sur la résolution angulaire d'une gerbe électromagnétique dans le calorimètre prototype utilisé dans le test en faisceau. Le but pour la vérification de la qualité des données est de détecter des problèmes éventuels sur l'ensemble du détecteur y compris l'électronique, le système de haute tension et d'acquisition, et de classer des différentes données pour faciliter les analyses offlines. Pour déterminer la résolution angulaire du calorimètre électromagnétique, nous avons développé un algorithme qui est basée uniquement sur le dépôt d'énergie dans différentes cellules produites par le faisceau d'électrons sans utilisant l'information du détecteur de trace devant le calorimètre. Celle-ci est importante pour pouvoir identifier le composant neutre d'un jet. Nos résultats montrent que la dépendance de la résolution angulaire en énergie du faisceau est similaire à celle de la résolution en énergie et peut être décrite par (74/√(E/GeV)＋ 8.7)mrad.

At an early age, i.e., up to about 1-2 years, humans learn to walk and subsequently develop a robust and flexible gait. This is learned by repetitively taking similar steps and the experience is stored in the muscle/reflexive memory. Over the last 30 years, a variety of humanoid bipedal robots have been developed to copy the human gait. However, walking/locomotion is still a relatively difficult control problem due to its complex hybrid nature because of non-smooth dynamics. Although, simple walking comprises of single support in which one leg swings forward, then it impacts with ground for a brief double support phase and further transition of the other support leg to start a new swing. The steps are repeated again and again in a similar manner for walking over an even surface. As the swinging leg strikes the ground, it is a non-linear impact which poses a challenge since it causes non-zero initial state errors for each step which depend on the error in the gait at last moment for previous step. The usual bipedal control relies on complex techniques based on inverse kinematics, ZMP (Zero-Moment Pole) and COP (Centre Of Pressure) to generate the required control inputs for the joints. However, a basic cognitive assumption is that walking is a relatively simple task which can be learned and the biological systems have achieved it by simple repetitions. This has been over-looked in these control techniques. In the past, ILC has been proposed to solve the repetitive learning problems. The Iterative Learning Controller learns to generate the desired set of input signals to compensate for the output tracking errors in a sequential manner such that in the initial iterations, the signals values at earlier time indices have faster rate than the later ones. So, at the last time index the convergence is achieved after all the earlier ones. ILC learns/adapts the joint control for repetitive gaits. In this thesis it has been proposed to be used as a muscle memory where control signals are learnt for a repetitive batch. Thus, ILC equates to “learning a sequence of action by muscles”. Due to the transfer of state error in a cyclic manner from the end of a previous step/repetition to the recent step/repetition, the convergence has to be established in joint control and state space. Similar is the case of continuous walking where the ground impacts transfer part of the error in the gait to the start of a new step representing an impacting Cyclic ILC scenario. Hence, the ILC problem is changed from finite to an infinite horizon. The second problem occurs with the non-constant length of the iteration due to change in step size. The two scenarios have been considered: Firstly, when the control input is updated using ILC with identical initial conditions at the start of each repetition. Secondly, control input update under varying initial conditions leading to Cyclic ILC. The batch to batch evolution of control inputs at each sample time within a batch is formulated. The sequential convergence of control input generated by ILC algorithms has been investigated. The exact relationship for the rate of convergence of the control input has been formulated down to the sample-time level. This provides deeper insight about the ILC algorithms and hence exact factors affecting the convergence could be established. Limits of the learning process have been clearly demonstrated as well. Although, simpler D-ILC converges for zero initial error but for cyclic non-zero initial errors, it has offset error which corresponds to the initial state error. With proportional part, the PD-ILC algorithm has eliminated the offset error which has been illustrated for a damped pendulum and further implemented to bipedal locomotion. For reasons of energy efficiency, passive dynamics has been chosen for the compass gait model of the biped. The walking problem for the compass gait robot has been solved using the modified PD-ILC which utilizes the acceleration error term as well. The steady gait has been achieved for the compass gait robot on flat surface which has been verified by the phase portraits.

The International Linear Collider (ILC) project aims at colliding electrons and positrons at an initial centre of mass energy of 500 GeV with high luminosity, and thus will allow scientists to probe new energy regimes. A general consensus within the accelerator physics and particle physics community has been made to utilise superconducting technology rather than normal conducting technology. A superconducting radio frequency (SRF) cavity will be used to accelerate bunches of particles to the design energy before delivering them to an interaction point. The major financial cost of the ILC lies in the area of the main linacs. These linacs consist of nine-cell cavities and are based on the TESLA design. An option being considered to reduce the overall footprint and project cost is to enhance the cavity gradient. This research concerns itself with my new cavity design with a view to reaching higher gradients. This design is focussed on minimising the surface electromagnetic fields and maximising the bandwidth of the accelerating mode. This new shape, which is referred to as the New Low Surface Field (NLSF) design, bears a similarity to the current Ichiro and Reentrant designs. A design of a complete nine-cell cavity, including power couplers and higher order mode damping couplers is presented. An equivalent circuit model theory is applied to represent the radio frequency (rf) mode properties of the cavity for both the fundamental accelerating mode and higher order modes. This represents an almost complete design, including HOM damping, for a unique high gradient superconducting cavity.

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Cette thèse porte sur deux aspects de l'International Linear Collider (ILC) qui est un projet d'un collisionneur linéaire électron-positron avec une énergie dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 500 GeV.Le premier aspect est l'élaboration d'un calorimètre électromagnétique silicium-tungstène (SiW-ECAL) pour l'un des détecteurs de l'ILC. Le concept de ce détecteur est piloté par les spécifications du faisceau de l'ILC et par l'algorithme du Particle Flow (PFA). Cela nécessite un calorimètre hautement granulaire et très compact avec l'électronique directement intégrée à l'intérieur. Pour prouver les capacités du SiW-ECAL, un prototype technologique a été construit et testé en faisceau de test à DESY. Les résultats sont présentés ici et montrent, après la procédure de calibration, un signal sur bruit de 10, même en mode power pulsing.Le deuxième aspect est l'étude de l'un des canaux physique importants de l'ILC, la production de pairs de quark top anti-top. L'objectif principal de cette étude est de déterminer la précision que nous pouvons attendre à l'ILC sur le couplage du top avec le boson W et le photon. Pour obtenir cette précision différentes observables sont utilisées, la section efficace, l'asymétrie avant-arrière et la distribution d'hélicité de la production de pairs de quark top anti-top. L'analyse est basée sur les événements avec des faisceaux polarisés et reconstruit avec la simulation complète du détecteur ILD, qui est le détecteur du SiW-ECAL, pour le Detector Baseline Design de l'ILD. Au final l'erreur attendue sur le couplage du quark top est de l'ordre de 2%. / This thesis deals with two aspects of the International Linear Collider (ILC) which is a project of a linear electron-positron collider of up to at least 500 GeV center of mass energy.The first aspect is the development of a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (SiW-ECAL) for one of the detectors of the ILC. The concept of this detector is driven by the ILC beam specifications and by the Particle Flow Algorithm (PFA). This requires highly granular calorimeter and very compact one with integrated electronics. To prove the capability of the SiW- ECAL a technological prototype has been built and tested in test beam at DESY. The results are presented here, and show, after the calibration procedure a signal over noise ratio of 10, even in the power pulsing mode.The second aspect is the study of one of the important physics channels of the ILC, the top anti-top quark pairs production. The main goal of this study is to determine the precision that we can expect at the ILC on the top coupling with the W boson and the photon. To get this precision differents observables are used, the cross- section, the forward- backward asymmetry and the helicity distribution of the top anti-top quark pairs production. The analysis is based on the events with polarized beams and reconstructed with the full simulation of the ILD detector, which is the detector of the SIW- ECAL, for the Detector Baseline Design of the ILD. The final expected errors on the top coupling is of the order of 2%.

Le futur Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur leptonique dont le but est de poursuivre le programme physique effectué par le LHC. Ce collisionneur permettra, entre autres, de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC. Deux détecteurs de particules sont prévus pour équiper le point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD. Ces deux détecteurs sont conçus afin de permettre l'application d'algorithmes de suivi de particules. Cette technique innovante permettrait d'améliorer la reconstruction et la mesure en énergie des jets. Pour permettre l'application de ces algorithmes de suivi de particules, les calorimètres équipant ces détecteurs doivent disposer d'une très grande granularité. Le calorimètre hadronique à lecture semi-numérique SDHCAL fait partie des options possibles pour équiper l'ILD. Ce calorimètre utilise des chambres à plaques résistives de verre comme partie active. La lecture s'effectue par des canaux de 1 cm x 1 cm. Un prototype a été développé en 2011, en grande partie à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et régulièrement soumis à des faisceaux de muons, d'électrons et de hadrons au CERN. Une grande partie de cette thèse est consacrée à mes travaux sur le programme de simulation du SDHCAL. L'analyse des données enregistrées en Octobre 2015 m'a permis de perfectionner l'algorithme de simulation des chambres à plaques résistives de verre utilisées dans le prototype. Une comparaison de la topologie des gerbes hadroniques et électromagnétiques entre des gerbes provenant de données expérimentales et des gerbes simulées sera présentée. Une autre partie est consacrée à la reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques au sein du SDHCAL. En utilisant la simulation du SDHCAL, j'ai pu étudier l'impact de la composante électromagnétique sur l'estimation de l'énergie des gerbes hadroniques, ce qui m'a permis de proposer une méthode alternative de reconstruction de l'énergie permettant d'améliorer les performances du SDHCAL. J'ai pu également étudier l'impact de l'utilisation d'une électronique de lecture plus avancée sur l'estimation de l'énergie. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la mesure de la section efficace du processus e+e- → HZ en utilisant les désintégrations hadroniques du Z, dans le cadre d'une simulation complète de l'ILD utilisant le SDHCAL comme calorimètre hadronique. Pour une énergie de collision de 250 GeV, la précision attendue sur la mesure de cette section efficace est de 1,8%. Cette précision est comparable à celle obtenue en utilisant les désintégrations leptoniques du Z / The future International Linear Collider ILC is a project of a leptonic collider which aims to continue the physical program of the LHC. Using this collider, it will be possible to precisely measure the properties of the Higgs Boson, discovered in 2012 at the LHC. Two particle detectors are planned to equip the colliding point of the ILC, the International Large Detector ILD, and the Silicon Detector SiD. These two detectors are designed with the prospect of using particle flow algorithms. This innovative technique can improve the reconstruction and energy measurement of the jets. To apply these particle flow algorithms, highly granular calorimeters have to be used. The semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL is proposed to equip the International Large Detector. This calorimeter uses Glass Resistive Plate Chambers as the active part. The readout is done using 1cm x 1cm channels. A prototype has been developed in 2011, mainly at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon, and regularly exposed to muons, electrons and hadrons beams at CERN. During this thesis, I mainly worked on the SDHCAL simulation program. Using the data taken in October 2015, I could improve the algorithm which simulates the response of the Glass Resistive Plate Chambers used in the prototype. A comparison of the topology of the electromagnetic and hadronic showers from data and simulation will be presented. Another part of this thesis is focused on the energy reconstruction of the hadronic showers in the SDHCAL. By using the SDHCAL simulation, I could study the impact of the electromagnetic component on the energy estimation of the hadronic showers, from which I could propose an alternative method for reconstructing the energy, which improves the performance of the SDHCAL. I could also study the impact of using a more advanced readout electronics on the energy estimation

Le Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur électron-positon développé pour prendre le relais du Grand Collisionneur de Hadrons LHC. Ce projet permettra d'étudier précisément les caractéristiques du nouveau boson de 125 GeV , découvert en 2012 par les expérience CMS et ATLAS, compatible avec le boson de Higgs du modèle standard. Cette expérience pourrait aussi permettre aux physiciens de mettre à jour des phénomènes physiques inconnus. Pour exploiter au maximum ce nouvel accélérateur, deux collaborations travaillent sur le développement de deux détecteurs : le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur au Silicium SiD. Ces détecteurs sont dits généralistes et sont optimisés pour la mise en oeuvre de technique de suivi des particules. Ils sont constitués d'un trajectographe dans leur partie centrale et de systèmes de calorimétrie. L'ensemble est inséré dans un aimant supraconducteur, lui même entouré d'une culasse instrumentée avec des chambres à muon. Le groupe lyonnais dans lequel j'ai effectué mes travaux de recherche pendant mon doctorat, a grandement participé au développement du calorimètre hadronique à lecture semi-digitale. Ce calorimètre ultra-granulaire fait partie des options pour le calorimètre hadronique du Grand Détecteur International. Un prototype a été construit en 2011. D'environ 1 m3, il est constitué de 48 chambres à plaque résistive de verre, comporte plus de 440000 canaux de lecture de 1 cm2 et pèse environ 10 tonnes. Ce calorimètre répond aux contraintes imposées pour le Collisionneur Linaire International (une haute granularité, une consommation électrique faible, une alimentation pulsée etc) et est régulièrement testé sur des lignes de faisceau au CERN. Les données ainsi collectées m'ont permis d'étudier en détail le phénomène de gerbe hadronique. De nombreux efforts ont été réalisé pour développer des méthodes efficace de reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques et pour améliorer la résolution en énergie du prototype SDHCAL. La simulation des gerbes hadroniques dans le SDHCAL constitue une part importante de mes travaux de recherche. Une simulation réaliste des chambres à plaque résistive de verre a été développée en étudiant la réponse du prototype au passage de muons et de gerbes électromagnétiques. J'ai alors confronté les modèles de simulation des gerbes hadroniques avec des données expérimentales. La granularité du SDHCAL rend aussi possible des études fines sur la topologie des gerbes hadroniques, notamment sur leur extension latéraleet longitudinale. J'ai finalement pu étudier, en m'appuyant sur mes travaux de simulations, la reconstruction de la masse des bosons W et Z dans une simulation complète du Grand Détecteur International. Cette étude permet d'estimer les performances de l'ILD avec le SDHCAL et les techniques de suivi des particules / The International Linear Collider ILC is an electron-positron collider project proposed to become the next particle collider after the Large Hadron Collider LHC. This collider will allow to study, in details, the new 125 GeV boson, discovered in 2012 by CMS and ATLAS experiments. This new particle seems compatible with the standard model Higgs boson. The International Collider may also allow physicists to discover new physics. In order to operate this new collider, two collaborations are developing two detectors : the International Large Detector ILD and the Silicon Detector SiD. These general-purpose detectors are optimised for particle flow algorithms. The team from Lyon in which I worked during my Ph.D., has widely participated in the development of the semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL. This high granular calorimeter is one option for the International Large Detector hadronic calorimeter. A prototype has been built in 2011. This 1 m3 prototype is made of 48 glass resistive plate chambers and contains more than 440000 electronic readout channels. This technological calorimeter is often tested with beam of particles at CERN. The collected allowed me to study the hadronic showers with many details. Methods to reconstruct precisely the hadronic showers energy has been developed in order to improve the SDHCAL energy resolution. My main contribution was the development of the hadronic shower simulation within the SDHCAL. A realistic simulation of the SDHCAL was performed by studying the SDHCAL response to the passage of muons and electromagnetic showers. I was then able to compared different simulation models with experimental data. The SDHCAL granularity allows precise studies on the hadronic showers topology, such as longitudinal and lateral shower extent. I finally worked on the W and Z boson mass reconstruction in a full simulation of the International Large Detector in order to study the performance of this calorimeter option with particle flow techniques

Après la découverte au Large Hadron Collider (LHC) d'un boson de Higgs compatible avec celui du modèle standard, les futurs projets de collisionneurs tels que le Collisionneur Linéaire International ILC sont proposés pour succéder au LHC. Les deux détecteurs proposés pour être placés au point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD, seront des détecteurs généralistes, conçus pour permettre l'application des algorithmes de suivi de particules, principal sujet d'intérêt de cette thèse. Le calorimètre hadronique à lecture semi-digitale SDHCAL développé essentiellement à l'IPN de Lyon, fait partie des options pour le calorimètre hadronique du détecteur ILD. Les travaux effectués dans cette thèse portent sur le développement d'un algorithme de suivi de particules basé sur la topologie en arbre des gerbes hadroniques. Après une première implémentation pour le prototype du SDHCAL d'une taille d'un mètre cube, une seconde implémentation est proposée pour reconstruire les particules issues des collisions dans le détecteur ILD. A l'aide de données issues de simulations numériques, les performances physiques sont extraites. Dans le cas de la version dédiée au prototype du SDHCAL, les résultats sont comparés aux données récoltées lors des différents tests sur faisceau.En parallèle de ces travaux, un logiciel de surveillance de données en ligne générique nommé DQM4HEP a été développé. Des analyses spécifiques aux données récoltées par le prototype du SDHCAL lors des divers tests sur faisceau, ont été déployées afin de tester le logiciel / After the discovery of a Higgs boson compatible with the standard model one at the Large Hadron Collider (LHC), future project of particle colliders such as the ILC are suggested to succeed the LHC. The two detectors at the collision point, the International Large Detector (ILD) and the Silicon Detector (SiD), are generalist detectors, deigned to allow the application of particle flow algorithms, main topic of interest of this thesis.The semi-digital hadronic calorimeter (SDHCAL), mainly developped at the IPNL, is one the options for the hadronic calorimeterof the ILD detector. The researches presented in this thesis are focused on particle flow development based on the tree topology of hadronic showers. After a first implementation for the SDHCAL physics prototype, a second one is proposed to reconstruct the particles from collisions in the ILD detector. Using Monte-Carlo data samples, physics performances are extracted. In the first version case, results are compared to available test beam data recorded by the SDHCAL prototype at CERN.In parrallel of this work, a data quality monitoring framework, called DQM4HEP, has been developped. Analyzes specific to SDHCAL data taken during beam tests have been deployed in order to test the software

La construction d'un futur collisionneur linéaire e+/e− est prévue pour obtenir des mesures précises (à l'échelle du T eV ) qui seraient complémentaires de celles obtenues du LHC. Un des défis de ce collisionneur linéaire sera de focaliser le faisceau à des tailles transverses nanométriques au point d'interaction, afin d'obtenir une importante luminosité de quelques 10^−34 cm^2 s^−1 . Les deux projets de collisionneur linéaire (ILC et CLIC) requièrent un système de distribution du faisceau partageant le même schéma de correction de chromaticité locale dans le système de focalisation finale. ATF2 à KEK (Japon), une implémentation de ce schéma mis à l'échelle en énergie, utilise le faisceau extrait d'ATF, qui est un des meilleurs anneaux d'amortissement au monde. Les objectifs d'ATF2 sont de prouver la faisabilité et la stabilité du système de focalisation finale et de définir et tester les procédures de corrections expérimentales. Les tailles nominales du faisceau au point d'interaction sont de 3µm horizontalement et 37nm verticalement. Le travail de thèse a commencé avant la mise en service et en couvre la première année à KEK. Au début, nous avons observé que les BPMs 'stripline' ne fonctionnaient pas correctement, nous avons donc examiné leurs comportements en détail. Le problème a été caractérisé puis résolu plus tard, en 2010, en changeant l'électronique. Nous avons alors développé une procédure efficace pour vérifier la modélisation de la ligne de faisceau, en comparant les mesures des matrices de transfert aux prédictions du modèle calculé en direct. Après avoir obtenu un bon accord, nous avons pu tester avec succès l'algorithme de correction de trajectoire que nous avions développé, réduisant la différence entre les mesures obtenues par les BPMs et les valeurs cibles jusqu'à 0.5mm horizontalement et 0.2mm verticalement. Nous avons aussi développé avec succès un algorithme pour reconstruire les fluctuations de la trajectoire du faisceau pour chaque paquet avec une résolution inférieure au micron. Cette reconstruction détermine aussi les fluctuations en énergie, permettant un ajustement général de la fonction de dispersion sur la longueur de la ligne de faisceau avec une précision de quelques millimètres, dominé par les erreurs systématiques provenant des matrices de transfert et des incertitudes sur les facteurs d'échelles des BPMs. Une méthode simple et robuste de réglage de la taille du faisceau à l'IP utilisant des déplacements de sextupoles a aussi été étudiée en simulation. Les performances indiquent que, en faisant quelques hypothèses sur le niveau d'erreur du faisceau, la convergence à 20% de la taille nominale devrait être possible en 8 heures avec une probabilité de 80%. Les premiers résultats expérimentaux de telles méthodes de réglages de la taille du faisceau sont actuellement en cours pour 2010 et 2011.