Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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) = 7TeV. 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 méthode de coupures et de comptage 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 sigma_ {t} = 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 reliee au quark-top obéissent à la relation |Vtb|>>|Vts|, |V_td|, la force du couplage W-t-b est extraite de la section 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%.

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) = 7TeV. 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 méthode de coupures et de comptage 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 sigma_ {t} = 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 reliee au quark-top obéissent à la relation |Vtb|>>|Vts|, |V_td|, la force du couplage W-t-b est extraite de la section 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%. / This thesis presents a measurement of the cross section of t-channel single top-quark production using 1.04~fb^{-1} data collected by the ATLAS detector at the LHC with proton-proton collision at center-of-mass sqrt(s)=7TeV. Selected events contain one lepton, missing transverse energy, and two or three jets, one of them b-tagged. The background model consists of multijets, W+jets and top-quark pair events, with smaller contributions from Z+jets and diboson events. By using a cut and count method based on the distribution of a multivariate discriminant constructed with the boosted decision trees, the cross section of t-channel single top-quark production is measured: sigma_{t}= 97.3^{+30.7}_{-30.2}~pb, which is in good agreement with the prediction of the Standard Model. Assuming that the top-quark-related CKM matrix elements obey the relation |Vtb|>>|Vts|, |V_td|, the coupling strength at the W-t-b vertex is extracted from the measured cross section, |Vtb| = 1,23^{+0,20}_{-0,19}. If it is assumed that |Vtb|<1, a lower limit of |Vtb|>0.61 is obtained at the 95% confidence level.

Cette thèse présente une étude de la production de boson de Higgs dans les collisions proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec le détecteur CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, exploitant la voie de désintégration en une paire de bosons Z qui se désintègrent à leur tour en paires d’électrons ou de muons (H->ZZ->4l, l = e,mu).Ce travail s’inscrit dans le contexte du début du Run II du LHC, une nouvelle période de prise de données qui a commencé en 2015 après une interruption de deux ans. Ce redémarrage est marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse de 8 TeV à 13 TeV et un resserrement de l’espacement entre paquets de protons de 50 ns à 25 ns. Ces nouveaux paramètres augmentent à la fois la luminosité et placent des contraintes inédites sur le déclenchement, la reconstruction et l’analyse des données de collisions pp. Un effort important est donc consacré à l’amélioration et la réoptimisation du système de déclenchement de CMS pour le Run II, en mettant l’accent sur la reconstruction et la sélection des électrons et sur la préparation de chemins de déclenchement multi-leptons préservant une efficacité maximale pour le canal H->ZZ->4l.Dans un second temps, les algorithmes de sélection hors-ligne des électrons et des muons sont optimisés et leurs efficacités sont mesurées dans les données, tandis que la logique de sélection des candidats à quatre leptons est améliorée. Afin d’extraire des modes de production rares du boson de Higgs tels que la fusion de bosons vecteurs, la production par « Higgsstrahlung » VH et la production associée ttH, une nouvelle répartition des événements sélectionnés en catégories exclusives est introduite, fondée sur des discriminants utilisant le calcul d’éléments de matrice et l’étiquetage de saveur des jets.Les résultats de l’analyse des premières données à 13 TeV sont présentés pour des lots de données enregistrés en 2015 et au début de 2016, qui correspondent à des luminosités intégrées respectives de 2.8 fb-1 and 12.9 fb-1. Le boson de Higgs est redécouvert de façon indépendante à la nouvelle énergie. L’intensité du signal relative à la prédiction du modèle standard, la masse et la largeur de désintégration du boson sont mesurées, ainsi qu’un jeu de paramètres contrôlant les contributions des principaux modes de production attendus. Tous les résultats sont en bon accord avec les prévisions du modèle standard pour un boson de Higgs à 125 GeV, aux incertitudes de mesure près, ces dernières étant dominées par la composante statistique avec l’échantillon de données actuel. Enfin, une autre résonance se désintégrant en quatre leptons est recherchée à haute masse, et aucun excès significatif n’est observé. / This thesis reports a study of Higgs boson production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13 TeV recorded with the CMS detector at the CERN Large Hadron Collider (LHC), exploiting the decay channel into a pair of Z bosons that in turn decay into pairs of electrons or muons (H->ZZ->4l, l = e,mu).This work is carried out in the context of the beginning of Run II of the LHC, a new data-taking period that started in 2015, following a two-year-long shutdown. This restart is marked by an increase of the centre-of-mass energy from 8 TeV to 13 TeV, and a narrowing of the spacing of proton bunches from 50 ns to 25 ns. These new parameters both increase the luminosity and set new constraints on the triggering, reconstruction and analysis of pp collision events. Therefore, considerable effort is devoted to the improvement and reoptimization of the CMS trigger system for Run II, focusing on the reconstruction and selection of electrons and on the preparation of multilepton trigger paths that preserve a maximal efficiency for the H->ZZ->4l channel.Secondly, the offline algorithms for electron and muon selection are optimized and their efficiencies are measured in data, while the selection logic of four-lepton candidates is improved. In order to extract rare production modes of the Higgs boson such as vector boson fusion, VH associated production and ttH associated production, a new classification of selected events into exclusive categories is introduced, using discriminants based on matrix-element calculations and jet flavour tagging.Results of the analysis of first 13 TeV data are presented for two data sets recorded in 2015 and early 2016, corresponding to integrated luminosities of 2.8 fb-1 and 12.9 fb-1, respectively. A standalone rediscovery of the Higgs boson in the four-lepton channel is achieved at the new energy. The signal strength relative to the standard model prediction, the mass and decay width of the boson, and a set of parameters describing the contributions of its main predicted production modes are measured. All results are in good agreement with standard model expectations for a 125 GeV Higgs boson within the incertainties, which are dominated by their statistical component with the current data set. Finally, a search for an additional high-mass resonance decaying to four leptons is performed, and no significant excess is observed.

Les travaux présentés ont été menés au sein de l'équipe HOTES (Horloges optiques et tests fondamentaux par spectroscopie et interférométrie atomique et moléculaire) du Laboratoire de Physique de Lasers (LPL) à Villetaneuse. La philosophie générale de l'équipe est de développer des expériences de très haute précision en spectroscopie moléculaire appliquées à des problèmes originaux de physique fondamentale. La première partie de ce travail porte sur le développement d'une expérience de recherche d'un effet de non conservation de la parité dans des molécules chirales par spectroscopie laser. Cette expérience nous a conduit à un gain de près de 5 ordres de grandeur par rapport à la sensibilité de la précédente mesure publiée en 1977. Nous avons conclu au terme de ce travail à la nécessité de passer à une expérience en jet moléculaire pour aboutir à l'observation de l'effet. La sensibilité requise nécessite par ailleurs des sources lasers très bien contrôlées en terme de stabilité de fréquence et de reproductibilité. Nous avons donc développé un lien optique entre le LPL et le SYRTE (Paris) pour le transfert longue distance d'une fréquence d'horloge. Nous avons ensuite appliqué ce transfert à des expériences de métrologie au LPL au cours desquelles nous avons notamment démontré une amélioration significative du contrôle en fréquence de nos lasers à CO2. Enfin depuis 4 ans, nous développons une nouvelle expérience de spectroscopie moléculaire avec pour objectif la première mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser à un niveau de quelques ppm. Le travail mené devrait prochainement nous permettre d'atteindre notre objectif. Cette nouvelle thématique nous conduit également à nous intéresser à des problèmes très fondamentaux sur les profils de raies en absorption linéaire.

Dans cette thèse, la mesure des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée. L'objectif de ce travail est l’étude du mode de production associé à une paire de quark top (tṫH). Ce mode représente le seul accès direct au couplage de Yukawa du quark top, un paramètre fondamental du Modèle Standard. Le mode de production tṫH est un processus très rare. Il est de l'ordre de deux ordres de grandeur plus petits que la production principale du boson de Higgs par fusion de gluons. À 13 TeV, le mode de production ttH est environ 4 fois plus grand qu'à 8 TeV. Cette thèse reprend les études réalisées à 8 TeV, où l’échantillon de données ne suffisait pas pour établir une observation de ce mode de production. Bien que le canal en deux photons ne soit pas celui qui présente le plus grand rapport de branchement (seulement 0,2%), il est très prometteur en raison de son excellente résolution en masse (1%). De plus, sa signature est très propre dans le détecteur. Le canal de désintégration en deux photons est particulièrement intéressant puisqu'il s'agit du seul canal permettant l'étude de tous les modes de production : la fusion de gluons, la fusion de bosons vecteurs, les productions associées avec des bosons W ou Z ou avec une paire de quarks top. Le document commence par une introduction théorique du Modèle Standard et la physique du boson de Higgs au LHC, suivie d'une description du détecteur CMS. Pour obtenir une excellente résolution de masse dans le canal de désintégration en deux photons , le calorimètre électromagnétique doit être calibré. Le système de monitorage de la transparence des cristaux du calorimètre électromagnétique de CMS par le système laser joue un rôle important dans la chaîne d'étalonnage et est décrit en détail. Sur le long terme, le système de monitorage laser devra être amélioré car le niveau de rayonnement influence son électronique. Je présente mon travail sur l'amélioration possible du système de monitorage laser, ainsi que l'étude de sa précision possible. L'analyse inclusive H → ᵞᵞ a eu plusieurs itérations pour les conférences en 2016 et 2017. La stratégie pour 2017 est décrite dans ce document. Une classification des événement sert à maximiser la significance du signal et à étudier les modes spécifiques de production du boson de Higgs. Mes contributions à l'analyse H → ᵞᵞ consistent en l'identification du vertex primaire, l'identification du photon et l'étude du mode de production tṫH. Chaque contribution est décrite en détail dans des chapitres dédiés. L'analyse tṫH, H → ᵞᵞ est présentée pour deux itérations en 2016 et 2017, en mettant l'accent sur les améliorations dans l'analyse de 2017. Enfin, les résultats de l'analyse inclusive et tṫH, H → ᵞᵞ, en utilisant l'ensemble complet de données 2016 correspondant à une luminosité intégrée de 35,9 fb-1, sont présentés. / In this thesis, the measurement of the Higgs boson properties in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The focus of this work is the tṫH production mode, as it is the only direct access to the top quark Yukawa coupling, a fundamental parameter of the Standard Model. tṫH is a very rare process, two orders of magnitude smaller than the dominant Higgs boson production by gluon fusion. At 13 TeV, ttH production is about 4 times larger than at 8 TeV. This thesis takes over the studies performed at 8 TeV, where the statistics was not enough for an observation of ttH. Despite a very small branching ratio (only about 0.2%), the two photons decay channel of the Higgs boson is very promising, because of its excellent mass resolution (about 1%). Moreover, its signature in the detector is very clear. The diphoton decay channel is also of particular interest as it is the only channel allowing the study of all production modes: gluon fusion, vector boson fusion, associated productions with a W or a Z bosons, or with a top quark pair.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and Higgs boson physics at LHC, followed by a description of the CMS detector. To achieve an excellent mass resolution in the H → ᵞᵞ channel, the electromagnetic calorimeter has to be calibrated. The laser monitoring system plays an important role in the calibration chain and it is described in details. On the long term, the laser monitoring system will have to be upgraded as level of radiation influences its electronics. I present my work on the possible upgrade of the laser monitoring system, along with the study of its possible precision.H → ᵞᵞ inclusive analysis had several iterations for conferences in 2016 and 2017. The strategy for 2017 is described in this document. An event classification is used to maximize the signal significance and to study specific Higgs boson production modes. My contributions to the H → ᵞᵞ analysis are primary vertex identification, photon identification and the study of the tṫH production mode. Each contribution is described in details in dedicated chapters. The tṫH, H → ᵞᵞ analysis is shown for two iterations in 2016 and 2017, with the emphasis on improvements in 2017 analysis. Finally, the results of the inclusive and tṫH, H → ᵞᵞ analysis, using the full 2016 dataset corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1, are shown.

Nous étudions les performances et limites de cellules à césium en<br />saphir pour une expérience de physique atomique visant à une mesure précise<br />d'un effet de violation de parité (PV) associé à l'échange du boson Zo<br />dans l'atome de césium. Une telle mesure permet un test à très basse énergie du<br />modèle standard électrofaible. Il s'agit d'une expérience pompe-sonde sur le<br />système 6S1/2-7S1/2-6P3/2, menée en régime impulsionnel, dans une<br />vapeur dense de césium (2.10^14 atomes/cm3), soumise à un champ<br />électrique E= (2kV/cm) statique à<br />l'échelle des impulsions laser. <br /><br />Dans la configuration étudiée avant cette thèse (champ E appliqué selon<br />la direction de propagation des faisceaux) les cellules en saphir ont permis de<br />dépasser plusieurs limites rencontrées auparavant avec les cellules en verre:<br />(i) totale immunité des fenêtres aux conditions de l'expérience (ii)<br />destruction thermique des dimères Cs2 en surchauffant la vapeur (iii)<br />production désormais possible du champ E dans la cellule avec des<br />électrodes externes, attestant la réduction des courants surfaciques internes.<br />Il apparaît cependant une émission d'électrons par les fenêtres, induite par<br />l'impulsion laser d'excitation, et on met en évidence une multiplication des<br />charges au cours de leur accélération dans le champ électrique. Les<br />perturbations associées à la charge d'espace et au courant électronique<br />limitent actuellement la précision des moyennages PV dans cette configuration.<br />Nous avons ensuite exploré une nouvelle configuration expérimentale, où le<br />champ électrique est perpendiculaire aux faisceaux. Cela a été réalisable<br />facilement avec l'utilisation d'électrodes externes, exploitables avec les<br />cellules en saphir. Les premières études expérimentales ont permis de dégager<br />les conditions de mesure et de calibration d'orientations atomiques<br />longitudinale et transverse (en utilisant la précession de Larmor) dans l'état<br />7S, par polarimétrie pompe-sonde impulsionnelle, en exploitant la détection par<br />émission stimulée. Nous avons par ailleurs mis en oeuvre une mesure atomique<br /> in situ du champ électrique, utilisable dans les deux configurations<br />expérimentales. Cette mesure est indispensable pour exploiter les mesures PV en<br />configuration longitudinale.

La désintégration radiative du méson B en méson étrange axiale, B--> K1(1270) gamma, a été observée récemment avec un rapport d'embranchement assez grand que B--> K* gamma. Ce processus est particulièrement intéressant car la désintégration du K1 dans un état final à trois corps nous permet de déterminer la polarisation du photon, qui est surtout gauche (droit) pour Bbar(B) dans le Modèle Standard tandis que des modèles divers de nouvelle physique prédisent une composante droite (gauche) supplémentaire. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est proposée pour déterminer la polarisation, en exploitant la distribution totale du Dalitz plot, qui semble réduire considérablement les erreurs statistiques de la mesure du paramètre de la polarisation lambda_gamma.Cependant, cette mesure de la polarisation nécessite une connaissance détaillée de la désintégration forte K1--> K pi pi : c'est-à-dire l'ensemble complexe des différentes amplitudes d'ondes partielles en plusieurs canaux en quasi-deux-corps ainsi que leurs phases relatives. Un certain nombre d'expériences ont été faites pour extraire ces informations bien qu'il reste divers problèmes dans ces études. Dans cette thèse, nous étudions en détail ces problèmes en nous aidant d'un modèle théorique. Nous utilisons ainsi le modèle 3P0 de création d'une paire de quarks pour améliorer notre compréhension des désintégrations fortes du K1.A partir de ce modèle nous estimons les incertitudes théoriques : en particulier, celle venant de l'incertitude de l'angle de mélange du K1, et celle due à l'effet d'une phase ``off-set'' dans les désintégrations fortes en ondes-S. Selon nos estimations, les erreurs systématiques se trouvent être de l'ordre de sigma(lambda_gamma)^th<20%. D'autre part nous discutons de la sensibilité des expériences futures, notamment les usines SuperB et LHCb, pour lambda_gamma. En estimant naïvement les taux annuels d'évènements, nous trouvons que l'erreur statistique de la nouvelle méthode est sigma(lambda_gamma)^stat<10%, ce qui est deux fois plus petit qu'en utilisant seulement les distributions angulaires simples.Nous discutons également de la comparaison avec les autres méthodes de mesure de la polarisation en utilisant les processus tels que B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma et Bs--> phi gamma, pour la détermination du rapport des coefficients de Wilson C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. Nous montrons un exemple de contraintes possibles sur C7gamma^‘eff/C7gamma^eff dans plusieurs scénarios de modèles supersymétriques. / Recently the radiative B-decay to strange axial-vector mesons, B--> K1(1270) gamma, was observed with a rather large branching ratio. This process is particularly interesting as the subsequent K1-decay into its three-body final state allows us to determine the polarization of the photon, which is mostly left(right)-handed for Bbar(B) in the Standard Model while various new physics models predict additional right(left)-handed components. In this thesis, a new method is proposed to determine the polarization, exploiting the full Dalitz plot distribution, which seems to reduce significantly the statistical errors on the polarization parameter lambda_gamma measurement.This polarization measurement requires, however a detailed knowledge of the K1--> K pi pi strong interaction decays, namely, the complex pattern of the various partial wave amplitudes into several possible quasi-two-body channels as well as their relative phases. A number of experiments have been done to extract all these information while there remain various problems in the previous studies. In this thesis, we investigate the details of these problems. As a theoretical tool, we use the 3P0 quark-pair-creation model in order to improve our understanding of strong K1 decays.Finally we try to estimate some theoretical uncertainties: in particular, the one coming from the uncertainty on the K1 mixing angle, and the effect of a possible ``off-set'' phase in strong decay S-waves. According to our estimations, the systematic errors are found to be of the order of sigma(lambda_gamma)^th<20%. On the other hand, we discuss the sensitivity of the future experiments, namely the SuperB factories and LHCb, to lambda_gamma. Naively estimating the annual signal yields, we found the statistical error of the new method to be sigma(lambda_gamma)^stat<10% which turns out to be reduced by a factor 2 with respect to using the simple angular distribution.We also discuss a comparison to the other methods of the polarization measurement using processes, such as B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma and Bs--> phi gamma, for the determination of the ratio of the Wilson coefficients C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. We show an example of the potential constraints on C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. in several scenarios of supersymmetric models.