Le LHC a commencé, dès le mois de Novembre 2009, à prendre des données. Cela initie une nouvelle ère de découverte pour la physique des particules. Le détecteur CMS est une des expériences principales de physique présente au LHC. Un des buts de cette expérience est la recherche du boson de Higgs, pouvant être à l'origine de la brisure de symétrie électrofaible. Après un replacement de la place du LHC et de CMS au sein de la physique des particules d'aujourd'hui, je présenterai alors l'ensemble de la chaîne permettant de passer de l'évènement physique aux analyses finales permettant d'extraire, des particules reconstruites, les informations permettant, à terme, la découverte de nouvelles particules telles que le boson de Higgs. Une première partie de mes travaux a porté sur la mesure et le suivi des rapports de gains de l'électronique d'acquisition, permettant de mesurer de manière précise l'énergie des photons sur toute la gamme d'énergie accessible (35 MeV  1.7 TeV). Mes travaux ont alors concernés la vérification de la validité des méthodes de calibration des cartes d'acquisition VFE au sein du détecteur. Une seconde partie de mes travaux à porté sur la manière dont doivent êtres générés les évènements de physique pour ne pas avoir de double-comptage entre les photons provenant de générateurs à éléments de matrices et ceux provenant de générateur à gerbe partonique. En collaboration avec des physiciens phénoménologues une méthode de véto anti double-comptage a été élaborée. Enfin, la dernière partie de mes résultats concerne la manière dont les désintégrations radiatives du boson de jauge électrofaible neutre Z° permettent, par la sélection d'une population de photons certifiés et isotopiques, d'extraire l'échelle d'énergie des photons au sein du calorimètre électromagnétique de CMS / The LHC has started, since november 2009 taking data. This started a new era of discovery in particle physics. The CMS detector is one of the main experiment at the LHC (CERN). One goal of this experiment is the Higgs's boson discovery, that can be related to the electroweak symmetry breaking. After a contextual replacement of the LHC and CMS within the nowdays's particle physics, I will explain the whole chain allowing to go from the physical event to the nal analysis, in order to extract the reconstructed particles and the informations allowing, at the end, the discovery of new particles like the Higgs's boson. A rst part of my works was about the measurement and the study of the acquisition electronics's gains-ratios. This work aimed to have a precise measurement of the photons energy on the whole available energy band (35 MeV -> 1.7 TeV). In particular, my works were upon the validation of the dierent calibration methods for the VFE acquisition cards within the detector. A second part of my work was about the way that one have to generate the physics events avoiding double-counting between photons coming from matrix-element generators and those coming from parton-shower algorithms. In collaboration with phenomenologists physicists, an anti-double-counting veto have been created. At last, the nal part of my results was about the way the radiative decay of the Z° neutral electroweak gauge boson allow, by the selection of certied photons, the extraction of the photons energy scale inside the electromagnetical calorimeter of CMS.

La première partie de mon travail porte sur le développement d'un algorithme utilisant les données enregistrées par CMS afin de détecter la présence de déformations particulières susceptibles d'affecter le trajectographe de CMS. La méthode s’appuie sur le biais que ces déformations induisent dans la mesure de l'impulsion des électrons. Sa fiabilité a été prouvée par simulation Monte-Carlo. Elle a été utilisée pour la validation des données 2012. La seconde partie de mon travail consiste en une analyse statistique des données de collisions prises par le détecteur CMS en 2012, afin de mettre en évidence la présence de particules neutres et à long temps de vie se désintégrant en un électron et un muon. L'observation d'un tel processus constituerait une preuve de l'existence de nouvelle physique. En l'absence d'observation statistiquement significative, une méthode Bayesienne est utilisée pour interpréter ce résultat en terme de contraintes sur un modèle supersymétrique (MSSM). / The first part of my work concerns the development of an algorithm using CMS data to automatically detect the presence of particular deformations than can occur in the CMS tracker. The method takes advantage of the bias that such deformations induce in the measurement of electron impulsion. The reliability of the method has been proved using Monte-Carlo simulation. The algorithm was then used to certify that none of the considered deformations affected the data recorded in 2012.The second part of my work consists of a statistical analysis of the data recorded by CMS, in order to look for evidence of the presence of exotic long-lived particles. The latter could manifest themselves through their decay to an electron and a muon. Such an observation would provide a strong clue of the existence of new physics. In the absence of any observation statistically significant, a Bayesian method is used to interpret this result in term of constraints on a supersymmetric model (MSSM).

En 2012, une nouvelle particule a ete decouverte au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) qui est susceptible d'etre identifie comme le boson de Brout-Englert-Higgs prevu par le Modele Standard (SM) de la physique des particules. Pour determiner si cette particule est bien celle prevue par le SM, les mesures de ses proprietes sont necessaires. Une des proprietes les plus importantes a mesurer est le couplage avec le quark top. Un test direct de ce parametre est la mesure de la section efficace de production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top anti-top (ttH). Dans cette these de doctorat la recherche du processus ttH (H ->bb) est presentee dans la topologie ou les deux quarks top se desintegrent hadroniquement. L'analyse dans ce canal de desintegration utilise 20,3 fb^-1 a √s = 8 TeV, recueillies avec le detecteur ATLAS au cours du Run 1 du LHC. La recherche utilise des evenements avec au moins cinq jets energiques et utilise la technique du ``boosted decision tree'' pour discriminer les evenement du signal de ceux provenant du dominant fond multijet qui est estime a partir des donnees grace a une nouvelle technique. En plus, pour cette analyse, de nouvelles techniques ont ete developpees pour l'estimation de l'efficacite du trigger utilis'e et des facteurs d'echelle. Pour une masse du boson de Higgs de 125 GeV, une limite superieure a 95% CL de 6.5 (resp. 5.4) fois la section efficace du SM est observee (resp. attendue). Une intensite du signal ttH, μ = 1.6 ± 2.6 fois la valeur du SM est obtenue. L'analyse du canal ttH (H→ bb) completement hadronique presentee dans cette these de doctorat est la premiere effectuee dans ce canal au LHC. / In 2012 a new particle was discovered at the Large Hadron Collider (LHC) by the ATLAS and CMS experiments, that is likely to be the Brout-Englert-Higgs boson predicted by the Standard Model (SM) of particle physics. To asses if this newly discovered particle is indeed the one predicted by the SM, the measurement of its properties is necessary. One of the most important properties to be measured is its coupling to the top quark. A precise measurement of this parameter can give hints on the energy scale where physics beyond the SM can manifest itself. A direct test of this parameter is the measurement of the Higgs boson production cross section in association with a pair of top anti-top quarks (ttH). In this doctoral thesis the search of the ttH (H → bb) process is presented in the topology where the two top quarks are decaying hadronically. The fully hadronic analysis uses 20.3 fb^-1 at √s = 8 TeV, collected with the ATLAS detector during Run 1 of the LHC. The search uses events with at least five energetic jets and uses a boosted decision tree to discriminate the signal from the overwhelming multijet background which is estimated using a new data driven technique. Moreover, for this analysis, new techniques have been developed for the estimation of trigger efficiencies and scale factors. For a Higgs Boson mass of 125 GeV, a 95% CL upper limit of 6.5 (resp. 5.4) times the SM cross section is observed (resp. expected). A ttH signal strength μ = 1.6 ± 2.6 times the SM value is obtained. The fully hadronic ttH (H → bb) analysis presented in this doctoral thesis is the first one performed in this channel at the LHC.

Cette thèse est composée de deux analyses principales: la recherche du boson the Higgs (H) produit en association avec an boson vecteur (VH) dans le canal de désintégration en deux quark-b, dans le Modèle Standard (SM), avec les données du LHC Run-1 (jusqu’à Juillet 2016); la recherche d’un boson d’haute masse A, CP-odd et pseudo-scalar, dans la désintégration dans une paire ZH, avec la désintégration du H en deux quark-b, dans les données du LHC Run-2 (jusqu’à Décembre 2015). Le document est constitué de quatre Chapitres générales et trois Chapitres d’analyse: on donne une description théorétique de la physique du particule, une présentation du LHC et du détecteur ATLAS, un exposé des méthodes statistiques utilisés et des techniques de reconstruction des évènements dans ATLAS. Les Chapitres d’analyse présentent: la recherche des processus VH SM avec les données du Run-1 et du Run-2, dans le canal de désintégration en deux quark-b. En plus on présente la recherche du boson d’haute masse A, avec les données du LHC Run-2. On n’observe pas une mis en évidence du boson de Higgs SM dans ce canal de désintégration, avec une sensibilité de 1.4(0.42) déviations standard pour l’analyse des données du Run-1(Run-2). L’analyse des données du Run-1 obtient la plus hautes sensibilité attendue (2.6 déviations standard) pour ce type de recherche dans un collisionneur hadroniques. L’analyse des données du Run-2 est la première recherche de ce processus a une énergie de 13 TeV. Aucune évidence d’un boson d’haute-mass A est trouvée dans l’analyse des données du Run-2: on donné une interprétation des limites su sa production et désintégration dans le contexte des Two Higgs Double Models. / This thesis is composed of two main separate analyses: the search for the Standard Model (SM) Higgs boson in the associated production mode (VH), decaying to b-quark pairs, with data collected during the LHC Run-1 and Run-2 (until July 2016); the search for a high-mass CP-odd pseudoscalar A boson decaying to ZH pairs, with the H decaying to bottom-quark pairs, with data collected during the LHC Run-2 (until December 2015). The document is divided into four general Chapters, and three analysis Chapters: starting from an overview of the theoretical aspects of particle physics, to a description of the LHC and the ATLAS detector, an outline of the statistical methods used for data analysis and a summary of event reconstruction techniques. The analysis Chapters cover separately: the analysis of the LHC Run-1 data for the search of the VH production of the Higgs boson in the bottom-quark pair decay channel, and the same analysis performed with the LHC Run-2 data. Furthermore the search for a high-mass CP-odd pseudoscalar A boson, performed with LHC Run-2 data, is described. No evidence for a SM Higgs boson decaying to bottom-quark pairs is observed, with a significance of 1.4 (0.42) standard deviations from the analysis of LHC Run-1 (Run-2) data. The Run-1 data analysis provides the highest expected sensitivity (2.6 standard deviations) among Higgs searches in this channel at hadron colliders, while the analysis of Run-2 data is the first search performed at a center of mass energy of 13 TeV. No evidence for a massive A boson is found in the analysis of the Run-2 data, the limits set on its production and decay are interpreted in the framework of Two Higgs Doublet Models.

En juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d’une nouvelle particule à une masse d'environ 125 GeV, compatible avec le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard (MS). Bien qu’à ce jour toutes les mesures montrent une pleine cohérence avec les prédictions du MS, les canaux de désintégration H->bb n'ont pas encore été vus aussi clairement que les canaux de autre désintégration. Cette thèse présente une recherche du boson de Higgs dans le canal WH->lvbb, en utilisant les données de collisions proton-proton à sqrt(s)=8 TeV prises avec le détecteur ATLAS en 2012, correspondant à une luminosité intégrée de 20,3 fb-1. Ce document détaille l’une des contributions aites par l'auteur à cette recherche: la région d’analyse supplémentaire avec des événements de muons déclenchés par l'impulsion transverse manquante. Un excès par rapport à l'hypothèse de fond seulement a été trouvé avec une signification statistique de 1,8(1,5) sigma observée(attendue). La limite supérieure observée(attendue) sur le produit section efficace par rapport d’embranchement pour WH->lvbb à un niveau de confiance de 95% est de 2,35(1,37) fois la prédiction du MS pour mH=125 GeV. Cette recherche repose fortement sur l’identification des jets issus du quark b. Afin d'améliorer la recherche H->bb utilisant l'identification des jets b dans ATLAS, le développement d'algorithmes de haute performance a été conduit et est présenté également dans cette thèse. Un nouvel algorithme, appelé MV2, est introduit: il améliore la performance d'identification des jets b de manière significative et est maintenant l'algorithme référencee pour les analyses du Run 2 avec ATLAS. / In July 2012, the ATLAS and CMS collaborations announced the discovery of a new particle at a mass of about 125 GeV, compatible with the Higgs boson predicted by the Standard Model (SM) ofparticle physics. Although all measurements as of Summer 2015 show a full consistency with the SM predictions, the H->bb decay channel has not been seen yet as clearly as the other decay channels. This thesis presents a search for the Higgs boson in the WH->lvbb channel, using proton-proton collision data at sqrt(s) = 8 TeV taken with the ATLAS detector in the year 2012, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1. This document details in particular one of the contributions made by the author in this search: the additional analysis region with muon events triggered by missing transverse momentum. An excess over the background-only hypothesis has been found with a significance of 1.8 sigma while 1.5 sigma was expected. The observed (expected) upper limit on the cross-section times branching ratio for WH->lvbb at 95% confidence level is found to be 2.35 (1.37) times the SM prediction at mH = 125 GeV. This search highly relies on the identification of jets originating in b-quark fragmentation, so-called b-tagging. In order to improve the H->bb search and other physics analyses using b-tagging in ATLAS, the development of high performance b-tagging algorithms has been performed and is presented also in this thesis. A new b-tagging algorithm, called MV2, is introduced: it improves the b-tagging performance significantly and is now the baseline b-tagging algorithm in ATLAS for the Run-2 analyses.

Résumé indisponible / Résumé indisponible

La suppression des Upsilons en collisions d'ions lourdsultrarelativistes est une mesure clé pour la compréhension de l'état dela matière chaude et déconfinée appelé plasma de quarks et de gluons(PQG). Les sections efficaces des états Upsilon Y(nS) sont mesurées encollisions proton-proton et plomb-plomb à une énergie dans le centrede masse de 2.76 TeV par paires de nucléons. Les états individuelssont mesurés via leur canal de désintégration en deux muons, enutilisant le détecteur CMS au CERN. Les sections efficaces mesuréesen pp et PbPb sont comparées grâce au facteur de modification nucléaire, R_{AA}. Cette observable estcalculée pour l'Upsilon(1S) et l'Upsilon(2S) dans plusieursintervalles d'impulsion transverse, de rapidité et de centralité de lacollision. Une limite supérieure sur la production de l'Upsilon(3S)est estimée. Ces mesures montrent une suppression claire etordonnée, en accord avec l'hypothèse de fonte séquentielle desquarkonia dans le PQG. La suppression mesurée pour l'Upsilon(1S) etl'Upsilon(2S) apparaît indépendante de l'impulsion transverse et de larapidité. Des comparaisons avec les modèles phénoménologiquesdisponibles sont présentées, ne reproduisant pas totalement toutes lesobservations. Cette mesure apporte ainsi de nouvelles contraintessur la modélisation du déconfinement des quarks lourds. / Measurements of Upsilon suppression in ultrarelativistic heavy ioncollisions are key to understanding the hot and deconfined phase ofmatter called Quark-Gluon Plasma (QGP). The cross section of Upsilonstates Y(nS) are measured in proton-proton collisions and in lead-leadcollisions at the centre-of-mass energy of 2.76 TeV per nucleonpair. Individual states are measured through their dimuon decaychannel using the Compact Muon Solenoid (CMS) at CERN. The crosssections measured in pp and PbPb are compared thanks to the nuclearmodification factor, R_{AA}. This observable is computed forUpsilon(1S) and Upsilon(2S) in several bins of transverse momentum,rapidity and centrality of the collision. An upper limit on theproduction of Upsilon(3S) in PbPb is estimated. These measurementsexhibit a clear and ordered suppression pattern, consistent with thehypothesis of sequential melting of quarkonia in the QGP. The measuredUpsilon(1S) and Upsilon(2S) suppressions are observed to beindependent of transverse momentum and rapidity. Comparisons withavailable phenomenological models are presented, however fail toreproduce the full set of observations. This novel measurement thusprovides new constraints on the modeling of heavy quark deconfinement.

Cette thèse décrit une mesure de la masse du boson W avec le détecteur ATLAS. La mesure exploite les données enregistrées par ATLAS en 2011, a une énergie dans le centre de masse de 7 TeV et correspondant à une luminosité intégrée de 4.6 inverse femtobarn. Les mesures sont faites par ajustement aux données de distributions en énergie transverse des leptons charges et en masse transverse du boson W obtenues par simulation, dans les canaux électron et muon, et dans plusieurs catégories cinématiques. Les différentes mesures sont en bon accord et leur combinaison donne une valeur de m_W = 80371.1 ± 18.6 MeV. La valeur mesurée est compatible avec la moyenne mondiale des mesures existantes, m_W = 80385 ± 15 MeV, et l'incertitude obtenue est compétitive avec les mesures les plus précises réalisées par les collaborations CDF et D0. / This thesis describes a measurement of the W boson mass with the ATLAS detector based on the data-set recorded by ATLAS in 2011 at a centre-of-mass energy of 7 TeV, and corresponding to 4.6 inverse femtobarn of integrated luminosity. Measurements are performed through template fits to the transverse momentum distributions of charged leptons and to transverse mass distributions of the W boson, in electron and muon decay modes in various kinematic categories. The individual measurements are found to be consistent and their combination leads to a value of m_W = 80371.1 ± 18.6 MeV. The measured value of the W boson mass is compatible with the current world average of m_W = 80385 ± 15 MeV. The uncertainty is competitive with the current most precise measurements performed by the CDF and D0 collaborations.

Le sujet principal de la thèse est la mesure de la section efficace de production du boson de Higgs se décomposant en deux bosons Z dans l'état final à quatre leptons (H → ZZ * → 4l, l = e, μ), en utilisant 36.1 fb-1 de données collectées en 2015 et 2016 par l'expérience ATLAS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN. La section efficace inclusive dans la chaîne de décomposition H → ZZ * → 4l est mesurée à 3.62 ±0.53 (stat) ± 0.25 (syst) fb, en accord avec la prédiction du Modèle Standard, de 2.91 ± 0.13 fb. Plusieurs sections efficaces fiducielles différentielles sont mesurées en fonction d'observables sensibles aux modes de production et de décomposition du boson de Higgs, incluant les variables cinématiques des jets produits avec le boson de Higgs. Les données et les prédictions du Modèle Standard sont en bon accord. Les sections efficaces extraites sont aussi utilisées pour contraindre des interactions anormales du boson de Higgs avec des particules du Modèle Standard.La deuxième partie de la thèse concerne l'isolation des muons. Les variables sont construites à partir des informations du tracker (isolation de trace) et des calorimètres (isolation calorimétrique). Elles mesurent l'activité ambiante autour de la trajectoire de la particule dans les détecteurs et constituent un outil puissant pour rejeter le bruit de fond. Avec les données collectées par ATLAS en 2015 et 2016,les distributions des variables sont comparées entre données et simulation. Des points de fonctionnement correspondant à des ensembles de coupures sur ces variables sont alors définis. En utilisant la décomposition du boson Z en deux muons, les efficacités du signal sont mesurées. Des facteurs d'échelle correspondant aux ratios entre données et simulation sont alors calculés. Le bon accord conduit à des facteurs d'échelle proches de l'unité. / The main subject of the thesis is the measurement of the production cross section of the Higgs boson decaying to two Z bosons in the four-lepton final state (H →ZZ * → 4l, l = e, μ), using 36.1 fb- 1 of data recorded during 2015 and 2016 with the ATLAS experiment installed at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The inclusive fiducial cross section in the H → ZZ * → 4l decay channel is measured to be 3.62 ± 0.53 (stat) ± 0.25 (syst) fb,in agreement with the Standard Model prediction of 2.91 ± 0.13 fb. Several differential fiducial cross sections are measured for observables sensitive to the Higgs-boson production and decay, including kinematic distributions of the jets produced together with the Higgs boson. Good agreement is found between the data and the predictions of the Standard Model. The extracted cross-section distributions are also used to constrain anomalous Higgs-boson interactions with Standard-Model particles.The second part of the thesis is dedicated to the muon isolation. Isolation variables, based on information from the tracker (track-based isolation) and the calorimeters (calorimeter-based isolation) measure the ambient activity surrounding a particle in the detectors and are a powerful tool to reject background objects. Using36.1 fb-1 of data recorded by ATLAS in 2015 and2016, the variable distributions are compared with simulation. Working points are then defined as sets of cuts applied to the isolation variables. Using theZ boson decays to a pair of muons, the signal efficiency of the working points is calculated. Scale factors are then derived as ratio of efficiencies measured in data over simulation. The good agreement leads to scale factors close to one.

Dans cette thèse, la recherche de neutrinos lourds droitiers à travers la désintégration d'un boson W droitier (Wʀ) en deux leptons et deux jets avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée.Le boson Wʀ se désintègre en un lepton et un neutrino massif (Nʀ), et le neutrino se désintègre en un autre lepton de la même saveur et en une paire de jets. Les données recueillies par l'expérience CMS dans les collisions proton-proton à 13 TeV en 2016 correspondant à une luminosité totale intégrée de 35.9 fb ⁻¹ ont été utilisés pour cette analyse.Ces neutrinos lourds manquent dans le Modèle Standard (SM) de la physique des particules et ils sont donc importants pour faire la lumière sur la physique au-delà du SM. Mes principales contributions ont été la simulation et la validation des échantillons de signaux, l'estimation de l'un des principaux bruit de fonds, la production des limites 1D et 2D sur la section transversale du Wʀ (en fonction de la masse du Wʀ et de la masse du Wʀ par rapport à la masse du Nʀ, et l'analyse statistique et systématique. Les résultats obtenus avec cette analyse donnent les limites les plus strictes à ce jour.Des études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique de CMS pour la Phase II du LHC, qui prévoit un remplacement partiel de l'électronique dans le tonneau, sont également présentés. Mes principales contributions ont été dans la préparation de l'installation et dans la prise de données des test beams réalisée à la ligne de faisceau H4 dans la zone SPS Nord du CERN,dont le but était d'étudier la performance du prototype pour les nouvelles Very-Front-End cartes (CATIA chips avec un ADC de 160 MHz), et dans l'étude des formes et bruit des signaux recueillis par une matrice de 5 x 5 cristaux pour calculer leur timing et leur résolution énergétique.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique au delà du Modèle Standard, en particulier sur les neutrinos lourds, suivi d'une description du détecteur CMS et de son calorimètre électromagnétique. Les études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique sont présentées dans un chapitre dédié, puis l'analyse sur la recherche de neutrinos lourds et un aperçu de la physique des neutrinos au LHC et autres expériences sont décrits. / In this thesis, the search for heavy right-handed neutrinos through the decay of a right-handed W (Wʀ) boson into two leptons and two jets with the CMS experiment at the Large Hadron Collider is presented. The Wʀ boson decays into a lepton and a massive neutrino (Nʀ), and the neutrino decays into another lepton of the same flavor and into a pair of jets. The data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at 13 TeV during 2016 and corresponding to a total integrated luminosity of 35.9 fb ⁻¹ were used for this analysis. These heavy neutrinos are missing in the Standard Model (SM) of particle physics and thus they are important to shed light on physics beyond the SM. My main contributions were the simulation and validation of the signal samples, the estimation of one of the main backgrounds, the production of the 1D and 2D limits on the Wʀ cross section (as a function of the Wʀ mass and of the Wʀ mass versus Nʀ mass), and the systematics and statistical analysis. The results obtained with this analysis give the most stringent limits to date.Studies on the upgrade of the CMS electromagnetic calorimeter for the LHC Phase II, that foresees a partial replacement of the electronics in the barrel, are also presented. My main contributions were in the preparation of the setup and in the data taking of test beams performed at the H4 beam line in the SPS North Area of CERN, whose goal was to study the performance of the prototype for the new Very-Front-End boards (CATIA chips with 160 MHz ADC), and in studying the shapes and noise of the signals collected by a matrix of 5 x 5 crystals calculating their timing and energy resolution.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and the physics beyond the Standard Model, in particular on heavy neutrinos, followed by a description of the CMS detector and its electromagnetic calorimeter. The upgrade studies on the electromagnetic calorimeter are presented in a dedicated chapter, then the analysis on the search for heavy neutrinos and an overview on the overall neutrino physics at the LHC and other experiments are described.