Cette thèse est faite dans le cadre de l'ILC. La détermination des couplages électrofaible du quark top, est une des tâches à l'ILC. La thèse est consacrée à la mesure de l'asymétrie avant-arrière dans des paires de quark top, à 500 GeV, utilisant deux configurations de polarisation de faisceau, dans la chaîne de désintégration purement hadronique. Le quark top se désintègre à un quark b et un boson W, presque exclusivement. L'état final, qui consiste de six jets, est analysé utilisant la simulation de détecteur complète. Deux jets avec le b-tag la plus haute, sont pris comme des b jets et les quatre jets qui restent, sont utilisés pour reconstruire les Ws. L'identification des quarks top et anti-top est faite en utilisant la charge de vertex du quark b. Les précisions sur la section efficace sont aussi calculées. On trouve que l'ILC sera capable de mesurer les couplages électrofaible du quark top, avec une précision meilleur que 0.5%. Cette thèse inclut aussi une chapitre sur l'optimisation de calorimètre Électromagnétique Si-W du International Large Detector(ILD), un des deux détecteurs à l'ILC. L'ECAL d'ILD, consistera en couches alternatives de Silicium et le Tungstène, où des couches de Silicium sont des couches actives, et le Tungstène est le matériel passif. Les couches de Silicium sont divisées en 'wafer', entourées par des anneaux de protection(guard rings), pour éviter les courants de fuite. L'analyse est concentrée pour optimiser la taille d'anneau de garde. Les résultats montrent que un anneau de protection de taille jusqu'à 2mm, ne dégrades pas la performance d'ECAL gravement. La thèse est divisée en 6 chapitres. Le premier chapitre donne un résumé du Modèle Standard. Le deuxième chapitre est consacré aux aspects théoriques de la physique de quark top à l'ILC. On donne une description détaillée de l'ILD et ses sous-détecteurs dans le 3ème chapitre. Le 4ème chapitre présente les études de l'optimisation de Si-W ECAL. Le 5ème chapitre contient les détails d'analyse de production tt à ILC et la mesure de l'AFBt. Le dernier chapitre contient le résumé des résultats. / This thesis is done in the framework of the ILC. The determination of the electroweak couplings of the top quark, is one of the tasks at the ILC. The thesis is dedicated to the measurement of the Forward-backward asymmetry in top quark pairs, at 500 GeV, using two beam polarization configurations, in the fully hadronic decay channel. The top quark almost exclusively decays to a b quark and a W boson. The 6 jet final state is analyzed using full detector simulation. Two jets with highest b-tag are taken as b jets and the remaining four jets are used to reconstruct the W s. The identification of the top and anti-top quarks is done by using the vertex charge of the b quark. Precisions on the production cross sections are also calculated. This thesis also includes a chapter on the optimization of the Si-W Electromagnetic calorimeter of the International Large Detector (ILD), one of the two detectors at the ILC. The ECAL of ILD, will consist of alternate layers of Silicon and Tungsten, where Silicon layers are active layers, while Tungsten is passive material. The Silicon layers are divided into wafers, surrounded by guard rings, to avoid the leakage currents. The analysis is focused to optimize the guard ring size. The thesis is divided into 6 chapters. The first chapter gives a brief over view of the Standard Model. The second chapter is dedicated to the theoretical aspects of the top quark physics at the ILC. A detailed description of the ILD and its sub-detectors is given in the 3rd chapter. The 4th chapter presents the studies of the optimization of Si-W ECAL guard ring size. The 5th chapter contains the details of analysis of tt production at ILC, and measurement of the AFBt . The last chapter contains the summary of the results.

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. / The first part of the thesis reports on the characterisation of MICROMEGAS prototypes in beam and laboratory tests. Detection efficiency, response multiplicity and detector gain dependency against environmental conditions are detailed. In the second part, the detection of a Z' gauge boson predicted by a Randal & Sundrum inspired model together with a dark matter candidate (nu') is investigated in the framework of the CLIC experiment. The considered channel involves a top quark pair emmiting the Z' which, in turn, decays into nu', anti-nu'.

Le collisionneur linéaire international (ILC) est prévu pour être le prochain grand projet de la physique des hautes énergies. ILC est proposé avec deux détecteurs, International Large Detector (ILD), et Silicon Detector (SID). Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de l'ILD. L'un des principaux composants du détecteur ILD est la chambre à projection temporelle (TPC). Cette thèse se concentre sur le développement de la lecture de la TPC, basée sur l'intégration des détecteurs de gaz Micro-pattern (Micromegas) et de puces CMOS pixels ("Timepix"). Ce nouveau type de dispositif est appelé "Ingrid". Les exigences principales pour "Ingrid" sont d’atteindre la sensibilité aux électrons uniques et d’obtenir une très haute résolution spatiale (~ 30 µm). Avec une TPC, on reconstruit les traces en utilisant le profil 2D des charges sur la plaque a l’extrémité de la TPC et la troisième coordonnée est dérivée du temps de dérive. Dans le cadre de cette thèse, une mini-TPC a été construite a Saclay dans le but de tester plusieurs prototypes de détecteurs "Ingrid". En outre, un système compose de 8 puces nommé "Octopuce" a été construit pour développer des algorithmes de reconstruction de traces. Nous avons effectué plusieurs mesures à l'aide de source radioactive à Saclay. Par ailleurs, de grands modules ont été testés avec un prototype de grande TPC (LP) sur un faisceau de test à DESY. Les résultats obtenus avec deux modules différents ont été présentés et les résultats sont en bon accord avec la prédiction théorique. La présence de la matière noire fournit une bonne indication d'apparition de nouveaux phénomènes a proximité de l'échelle électrofaible, et l'hypothèse populaire d’existence des WIMP doit être testé. Comme les couplages des WIMP aux différentes espèces de particules du modèle standard sont a priori inconnus, la recherche de la production de WIMP en collisions e+e- est complémentaire à la production dans les collisions pp ou a la détection directe de WIMPs primordiaux par leur diffusion sur des nucléons. Dans ce travail, nous étudions possibilité de découverte (ou l'exclusion) de production de paires de WIMPs avec l’ILC. Dans ce processus, un unique photon est rayonne dans l'état initial et une énergie manquante est requise. Nous montrons que l’ILC peut découvrir cette signature, même si l'annihilation en paires électron-positon contribue faiblement au taux d’annihilation de la matière noire dans l'univers primordial. Nous avons traduit la sensibilité en terme d’échelles de masse pour différents types d’opérateurs effectifs et montré que la masse et les couplages des WIMPs peuvent être mesurés avec une précision de l’ordre de 1% si leur détection est avérée. En outre, des études de production de WIMPs avec l’ILC sont complémentaires aux études avec des états finaux mono-X au LHC, car ils testent le couplage WIMP-lepton. Au LHC, le couplage WIMP-proton est testé a une l'échelle de 1 TeV. Avec l’ILC, en utilisant une luminosité intégrée de 500 fb⁻¹, une énergie dans le centre de masse de √s = 500 GeV et avec des faisceau non polarisés, une limite pour l’échelle sur l'interaction de contact Λ de l’ordre de 2 TeV est accessible. De plus, les configurations de polarisation appropriées permettent d'améliorer la sensibilité pour les recherches de matière noire à l’ILC, en supposant que le couplage des paires de WIMP aux électrons et aux positons dépend du choix de l'opérateur. / The International Linear Collider (ILC) is planned to be the next major project in the High Energy Physics. ILC is proposed to have two detectors, namely International Large Detector (ILD), and Silicon Detector (SiD). This thesis is done in the framework of the ILD. One of the main components of the ILD detector is the Time Projection Chamber (TPC). This PhD thesis concentrates on the development of TPC readout, based on integration of the Micro-pattern gas detectors (Micromegas) and CMOS pixel chips ("Timepix"). This new type of device is named "InGrid". Main requirements for "InGrid" is to achieve sensitivity to single electrons and a very high spatial resolution (~30 μm). In TPC one reconstructs tracks using 2D-charge profile on the TPC endplate and the third coordinate is derived from the drift time information. In Saclay mini-TPC was built. Using this mini-TPC, several prototype "Ingrid" detectors have been tested in the course of this PhD. In addition, 8-chips system named “Octopuce” was built to develop track reconstruction algorithms. We have performed several measurements using laboratory radioactive source in Saclay. In addition, the large modules were tested at a Large TPC Prototype (LP) in a test beam area at DESY. Results with two different modules were presented. Obtained results well agreed with theoretical prediction. The existence of Dark Matter provides a strong indication for the appearance of new phenomena near the electroweak scale, and the popular WIMP hypothesis is out there to be tested. Since the couplings of WIMPs to different species of Standard Model particles are a priori unknown, the investigation of WIMP production in e+e- collisions is fundamentally complementary to production in pp collisions or direct detection of primordial WIMPs scattering on nucleons. In this work we investigate the discovery (or exclusion) reach of the ILC based on the production of a pair of WIMPs, which recoils against an energetic photon from initial state radiation. We show that the ILC can discover this signature even if annihilation to electrons provides only a small fraction of the total dark matter annihilation rate in the early universe. We translated the sensitivity into mass scales of various effective operators and showed that the WIMPs mass and couplings can be measured at the percent level in case of an observation. Furthermore, WIMPs studies on ILC are complementary to current LHC in the mono-X final states, because they test WIMP-lepton coupling. LHC studies WIMP-proton coupling at the scale of 1 TeV. ILC could reach limits up to 2 TeV on the contact interaction scale Λ for the vector operator by using an integrated luminosity at 500 fb⁻¹, at the center-of-mass √s = 500 GeV with unpolarized beams. Moreover, proper polarization configurations allows to improve sensitivity for the Dark Matter searches at the ILC, assuming WIMPs pair couple differently to electron and positron for different operators.

Cette thèse est une contribution au document intitulé "Detector Baseline Document (DBD)" décrivant le conceptde détecteur ILD envisagé auprès du collisionneur linéaire international électron-positon ILC (acronyme del'anglais International Linear Collider).Les objectifs de physique de l'ILD nécessitent un détecteur de vertex (VXD) particulièrement léger, rapide et trèsgranulaire permettant d'atteindre une résolution sans précédent sur le paramètre d'impact des trajectoiresreconstruites des particules produites dans les interactions étudiées. Le principal objectif de cette thèse est demontrer comment optimiser les paramètres du VXD dans le cas ou il est composé de Capteurs à Pixels Actifsfabriqués en technologie industrielle CMOS (CAPS). Ce travail a été réalisé en étudiant la sensibilité desperformances d'étiquetage des saveurs lourdes et de la précision sur les rapports d'embranchement hadroniquedu boson de Higgs aux différents paramètres du VXD.Le cahier des charges du VXD, particulièrement ambitieux, a nécessité le développement d'une nouvelletechnologie de capteurs de pixels de silicium, les CAPS, dont le groupe PICSEL de l'IPHC est à l'origine. Lavitesse de lecture et l'influence des paramètres qui régissent la fabrication des capteurs en fonderie ont étéétudiées dans cette thèse, et des prototypesde CAPS ont été caractérisés sur faisceau de particules. Enfin, les performances de trajectométrie d'un VXDcomposé de CAPS a été évalué avec des études de simulation. / This thesis is a contribution to the " Detector Baseline Document ", describing the ILD detector which is intendedfor the International Linear Collider (ILC).The physics goals of the ILD call for a vertex detector (VXD) particularly light, rapid and very granular allowing toreach an unprecedented resolution on the impact parameter of the tracks that reconstruct the particles producedin the studied interactions. The principle goal of this thesis is to show how to optimise the parameters of the VXDin the case that is composed of Active Pixel Sensors manufactured in industrial CMOS technology (CAPS). Thiswork has been realised by studying the sensitivity of the performance of the heavy flavour tagging and theprecision on the hadronic branching fractions of the Higgs boson as a function of different sets of VXDparameters.The specifications of the VXD, particularly ambitious, call for the development of a novel silicon pixel sensorstechnology, the CAPS, which was pioneered by the PICSEL group of IPHC. The readout speed and the influenceof the fabrication parameters have been studied in this thesis, and CAPS prototypes have been characterised intest beams. Finally, the tracking performance of a CAPS based VXD has been evaluated with simulation studies.

Supersymmetry is currently the best motivated extension of the Standard Model and will be subject to extensive studies in the upcoming generation of colliders. The e-e- mode would be a straight forward extension to the currently planed International Linear Collider, planned to operate in e+e- mode. The low background in this mode may prove advantageous in the study of CP- and Lepton Flavour Violtation. In this work a CP sensitive observable based on transverse beam polarisation is introduced and the impact of neutralino mixing on the total cross section in cas of non-vanishing CP-violtating phases is studied in representative scenarios including non-GUT scenarios. Additionally, the mixing of sleptons is studied in the context of LFV, an analytical approximation is developed, and possible background free measurements of these effects are investigated. / Supersymmetrie ist derzeit die bestmotivierte Erweiterung des Standardmodells und wird in der nächsten Generation von Beschleunigern intensiv studiert werden. Der e-e- Modus des geplanten International Linear Collider, welcher zunächst im e+e- Modus betrieben werden soll, stellt hier eine direkte Erweiterung da, die durch ihren niedrigen Untergrund vorteilhaft für das Studium CP- und Lepton Flavour verletzender Effekte sein kann. In dieser Arbeit wird eine CP sensitive Observable basierend auf transversaler Strahlpolarisation vorgestellt sowie der Einfluss der Neutralinomischung auf den totalen wirkungsquerschnitt im Falle nichtverschwindender CP-verletztender Phasen in repräsentativen Szenarien, auch non-GUT-Szenarien, untersucht. Ferner wird die Mischung der Sleptonen im Kontext von Lepton-Flavour-Verletzung näher beleuchtet, eine analytische Näherung entwickelt und die möglicherweise Untergrundfreie Messung dieser Effekte untersucht.

Le travail développé dans cette thèse concerne un type particulier de sources de positrons utilisant le rayonnement de canalisation dans un cristal ainsi que d'autres effets cristallins observes le long des axes du cristal ; ces effets produisent un grand nombre de photons qui, à leur tour, génèrent un grand nombre de paires e+e- dans une cible amorphe. Les photons et les paires sont créés dans deux cibles différentes séparées par une certaine distance permettant l'installation d'un aimant pour dévier les particules chargées avant la cible amorphe. Une telle source est appelée source hybride de positrons ; elle a été choisie par le CERN pour le projet CLIC. Ce type de sources présente de réels avantages par rapport aux cibles conventionnelles qui ont une grande emittance ainsi qu'un niveau important de dépôt d'énergie dans la cible. Apres un rappel des phénomènes physiques qui concernent notre étude, des simulations détaillées utilisant d'une part le programme de V .Strakhovenko pour les effets cristallins et d'autre part le code GEANT4 pour la génération des positrons conduisent à une description complète pour les photons et les positrons avec, notamment, les espaces de phase longitudinal et transverse, le spectre en énergie, la distribution temporelle,.. Nous avons particulièrement insiste sur deux points : d'abord sur les dispositifs de capture des positrons -après la cible- qui sont essentiels pour avoir de bons rendements de positrons acceptes et ensuite sur la densité de l'énergie déposée dans la cible qui représente un paramètre important pour la survie des cibles. En ce qui concerne le premier point, trois dispositifs de capture ont été étudiés : le système adiabatique (AMD), le système quart d'onde (QWT) et la lentille de lithium. Pour le deuxième point qui concerne l'énergie déposée et l'échauffement de la cible, on a cherché à optimiser la densité d'énergie déposée en diminuant son maximum (PEDD) ; l'énergie moyenne déposée a aussi été optimisée en utilisant une solution spéciale pour le convertisseur : un convertisseur granulaire forme de petites sphères, comme cela avait été considéré précédemment pour les usines à neutrinos. Des résultats très prometteurs nous ont conduits à envisager la source hybride de positrons avec un convertisseur granulaire comme une solution au difficile problème d'ILC. Cette solution est étudiée moyennant une transformation des impulsions du faisceau avant la cible, comme cela avait été envisage par l'équipe du KEK. Le transport du faisceau de positrons au-delà du solénoïde a été étudié avec la première partie de l'optique quadrupolaire.

L'International Linear Collider (ILC) est un projet de futur collisionneur électron positron opérant à une énergie nominale dans le centre de masse de 500 GeV. Il fera des mesures de précision, par exemple d'un boson de Higgs léger qui pourrait être bientôt découvert au Large Hadron Collider. Les détecteurs de l'ILC prévus à cet effet seront composés de calorimètres à haute granularité.Cette thèse présente l'étude de la réponse d'un calorimètre électromagnétique silicium tungstène hautement granulaire (ECAL SiW) ainsi que l'étude de la production du quark top à l'ILC.Le prototype d'un ECAL SiW développé par la collaboration CALICE a été testé sous faisceaux de particules chargées au FNAL en Mai et Juillet 2008. Après avoir sélectionné des pions chargés négativement et entrant dans le ECAL, sa haute granularité est mise à profit pour introduire une classification en quatre types d'événements, afin de décrire des interactions hadroniques.Des modèles de dimensions supplémentaires expliquent l'anomalie AFBb du LEP par une modification des couplages des quarks de troisième génération au boson Z. Ces effets motivent l'étude de la désintégration semileptonique des paires de quarks top, effectuée ici au moyen d'une simulation complète du détecteur ILD proposé pour l'ILC à une énergie dans le centre de masse de 500GeV pour une luminosité intégrée L = 500 fb-1. Les performances de ce détecteur permettent d'atteindre des efficacités de sélection de plus de 70% avec une pureté meilleure que 95%. Cela se traduit par une précision relative d'environ 1% sur l'asymétrie gauche-droite de la production du quark top ALR ainsi que sur l'asymétrie avant-arrière du quark top AFBt dans le cas où les électrons sont polarisés à 80% et pas les positrons. Les incertitudes relatives sur les couplages gauche et droit du quark top au boson Z peuvent aller jusqu'à 0.9% et 1.5%.

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches résume une partie des travaux que j'ai réalisés ces dix dernières années dans le domaine de la physique des particules au sein d'expériences situées auprès de collisionneurs. Il est organisé en deux parties. La première concerne les réalisations instrumentales liées à la calorimétrie et la seconde résume les recherches du scalaire top, partenaire supersymétrique du quark top.

Ce mémoire de thèse est réalisé dans le cadre du Projet International Linear Collider. Il porte sur l'étude d'un prototype de calorimètre électromagnétique auprès de la collaboration internationale CALICE. Le prototype a été soumis à plusieurs reprises à des faisceaux test au CERN, à DESY et à FNAL. L'auteur présente deux sujets d'études: une partie d'instrumentation concernant la résolution d'un problème des événements carrés découvert lors des prises des données en 2006 au CERN. Afin d'en expliquer l'origine et résoudre le problème dû à une phénomène de diaphonie entre les pixels périphériques et le guard ring qui entoure le capteur, deux études ont été faites: une étude de simulation en utilisant SILVACO et l'autre avec un banc test pour étudier plusieurs types de capteurs. La deuxième partie de cette thèse est une étude physique concernant l'identification des photons (électrons) en utilisant des estimateurs qui sont liés aux paramètres de la forme de la gerbe électromagnétique. Des données Monte Carlo ont été utilisés pour élaborer ces estimateurs, ensuite les utiliser pour des données réelles.

Dans le cadre du développement du détecteurs ILD devant équiper l'ILC (projet d'accélérateur linéaire $e^+$$e^-$) un prototype de calorimètre électromagnétique répondant aux critères du "Particule Flow Algorithm" a été réalisé puis testé en faisceau au CERN (Suisse) et à FNAL (USA). La granularité du prototype a été utilisée afin d'identifier les particules incidentes à partir de la forme de leur gerbe. La résolution en énergie a été mesurée pour des électrons~: $\Delta E /E (\%) = (17,96\pm0,7) / \sqrt{E (GeV)} \oplus (0,8\pm0,06)$ puis comparée aux prédictions des simulations Monte-Carlo. Nous avons ensuite cherché différentes méthodes pour compenser les non-uniformités du détecteur dues aux zones non instrumentées~: anneaux de gardes protégeant les matrices de diodes de détection. Nous avons d'abord étudié des méthodes de cartographie globales ou couche par couche de l'efficacité du détecteur, puis des méthodes locales. Certaines de ces méthodes seront facilement adaptables au futur calorimètre électromagnétique de l'ILD. Nous avons aussi mesuré la résolution en position~: $\Delta X (mm)= (3,32 \pm 0,06)/\sqrt{E (GeV)} \oplus (9,0 \pm0 ,07) / E (GeV) \oplus (0,9\pm0,01)$. Enfin, à partir de simulations Monte-Carlo de l'ensemble du détecteur ILD, nous avons entrepris de mesurer la masse du boson de Higgs dans le canal $e^{+} e^{-} \to Z H \to e^{+}e^{-} + X$. Avec une luminosité intégrée de 250~fb$^{-1}$, le boson de Higgs est susceptible d'être clairement mis en évidence. L'incertitude sur la mesure de sa masse sera comprise entre 100 et 125 MeV selon l'état de polarisation du faisceau.