There are experimental and theoretical indications that the Standard Model of particle physics, although tremendously successful, is not sufficient to describe the universe, even at energies well below the Planck scale. One of the most promising new theories to resolve major open questions, the Minimal Supersymmetric Standard Model, predicts additional neutral and charged Higgs bosons, among other new particles. For the search of the new heavy neutral bosons, the decay into two hadronically decaying tau leptons is especially interesting, as in large parts of the search parameter space it has the second largest branching ratio while allowing for a considerably better background rejection than the leading decay into b-quark pairs. This search, based on proton-proton collisions recorded at sqrt(s) = 13 TeV in 2015 and early 2016 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN, is presented in this thesis. No significant deviation from the Standard Model expectation is observed and CLs exclusion limits are determined, both model-independent and in various MSSM benchmark scenarios. The MSSM exclusion limits are significantly stronger compared to previous searches, due to the increased collision energy and improvements of the event selection and background estimation techniques. The upper limit on tan beta at 95% confidence level in the mhmod+ MSSM benchmark scenario ranges from 10 at mA = 300 GeV to 48 at mA = 1.2 TeV.

The search for additional heavy neutral Higgs bosons predicted in Minimal Supersymmetric Extensions of the Standard Model is presented, using the direct decay channel into two tau leptons which themselves decay hadronically. The study is based on proton-proton collisions recorded in 2011 at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. With a sample size corresponding to an integrated luminosity of 4.5 fb−1, no significant excess above the expected Standard Model background prediction is observed and CLs exclusion limits at a 95% confidence level are evaluated for values of the CP-odd Higgs boson mass mA between 140 GeV to 800 GeV within the context of the mhmax and mhmod± benchmark scenarios. The results are combined with searches for neutral Higgs bosons performed using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012, with a corresponding integrated luminosity of 19.5 fb−1. The combination allowed an improvement of the exclusion limit at the order of 1 to 3 units in tan β. Within the context of this study, the structure of additional interactions during a single proton-proton collision (the “underlying event”) in di-jet final states is analyzed using collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV recorded with the ATLAS detector in 2010, with a corresponding integrated luminosity of 37 pb−1. The contribution of the underlying event is measured up to an energy scale of 800 GeV and compared to the predictions of various models. For several models, significant deviations compared to the measurements are found and the results are provided for the optimization of simulation algorithms.

The invisible width of the Z boson is its partial width to neutrinos and is a well known Standard Model quantity. A direct measurement of the Z boson’s invisible width has been performed using the ATLAS detector. The width was measured to be Γ(Z → inv) = 481 ± 5(stat.) ± 22(syst.), which rivals the precision of the direct measurements performed by the LEP experiments. Such a precise was measurement performed by measuring the ratio of Z → νν to Z → ee events and correcting for the differences between the neutrino and electron selections. The measurement is sensitive to any non Standard Model interactions with a jet(s) + undetected particle final state. No evidence was found for a deviation from the Standard Model, however improvements have been suggested to allow more sensitivity to new phenomena at high energies.

Understanding the origin or Electroweak symmetry breaking within the Standard Model was a key motivation for the construction of the Large Hadron Collider (LHC) experiment at CERN. This thesis presents a search for evidence of Higgs boson production in the 4.7 fb−1 of collision data recorded at a centre-of-mass energy of 7 TeV at the ATLAS detector during 2011. This search is focused on signal events in which a Higgs boson is produced in the mass range 100 < mH < 180 GeV/c2 and subsequently decays to a pair of W bosons or a pair of tau leptons to final states with one hadronically decaying tau lepton and one light lepton. After an event selection criteria has been applied, the number of events in this data sample is consistent with the total background estimate and an upper limit is placed on the SM Higgs boson production rate at 95% confidence level. In addition, the prospects for measuring the SM Higgs coupling strength to tau leptons with the associated Higgs production channels and the full LHC dataset are also presented.

Cette thèse présente le travail de trois ans effectué dans l'expérience CMS, dans le contexte des premières collisions proton-proton du LHC. L'étude porte en particulier sur la recherche du boson de Higgs. Cette particule, dont l'existence est prévue par le Modèle Standard, n'a encore jamais été observée, mais elle est toujours activement l'objet de recherches auprès de collisionneurs à très hautes énergies. Dans le passé récent, les expériences au LEP et Tevatron ont permis d'exclure l'existence du Higgs dans les domaines de masse < 114 GeV/c2 et [147, 179] GeV/c2, avec un intervalle de confiance de 95%. Au moment où le sujet de cette thèse a été décidé, les domaines de masse très faible et très élevé étaient donc les régions les plus intéressantes. Avec les données de collisions de 2011, je me suis occupé de la question de la stabilité et uniformité de la réponse du calorimètre électromagnétique (ECAL). Des électrons isolés, provenant de la désintégration de boson W en en voie électron-neutrino ont été utilisé pour caractériser la réponse du ECAL (corrections locales d'uniformité, corrections de transparence des cristaux, vieillissement des cellules de lecture). Ceci sert de référence pour l'analyse du Boson du Higgs se désintégrant en deux photons, qui est le canal favori pour des hypothèses de masse faible et qui exige une une résolution en énergie optimale pour mieux profiter de la résonance trés étroite du boson du Higgs pour ces masses. L'analyse de physique effectuée dans cette thèse porte sur la recherche de bosons de Higgs dans l'autre région de masse encore permise par les contraintes expérimentales. En particulier, j'ai étudié le canal de désintégration H > WW > lνqq pour des masses du Higgs mH > 2mW. Ce canal est celui qui offre la plus grande section efficace de production (σ × B) pour le boson de Higgs, même s'il est pénalisé par des bruits de fonds de processus standards importants. Une stratégie d'analyse complète a été définie: j'ai étudié les performances pour la physique de la reconstruction et de l'identification des leptons isolés, fortement contribué à la définition et à la caractérisation du déclenchement (trigger) pour ce canal, et procédé à une analyse détaillée des sources d'incertitudes systématiques affectants l'interprétation statistique des résultats. En absence d'une déviation par rapport à l'attendue des bruits de fonds du modèle standard, des limites supérieures sur la masse du boson de Higgs ont été obtenu, entre 320 et 400 GeV/c2 environ.

Le spectromètre à muons du détecteur ALICE, installé au LHC, est dédié à la mesure des quarkonia (J/psi et upsilon) et des saveurs lourdes ouvertes qui se désintègrent en muons. Un grand nombre d'étapes (R&D, simulation et construction) ont été nécessaires pour réaliser les systèmes de tracking et de trigger du spectromètre. Les prises de données sont actuellement en cours. Ce document présente mes activités de recherche durant l'évolution du projet.

La production des dipôles supraconducteurs de la machine LHC du CERN s'est terminée en automne 2006. Les aimants fonctionnent à la température cryogénique de 1.9 K et doivent produire un champ magnétique très uniforme permettant de conduire les protons dans la machine. Le champ magnétique a été contrôlé avec beaucoup de rigueur et différentes mesures ont été réalisées pendant les différentes phases de l'assemblage des dipôles. Le but a été la découverte de défauts de production et d'assemblage qui prouvent limiter les performances des aimants. Dans le travail de thèse les effets de la variation de la géométrie des composantes mécaniques comme les câbles supraconducteur, les cales et les colliers de soutien des bobines sur l'uniformité du champ magnétique ont été étudiés. Une méthode pratique pour identifier et corriger les problèmes d'usinage a été développée et utilisée dans la phase de production. La thèse consiste en trois parties principales :<br />-Analyse de la production des principales composantes mécaniques des dipôles et étude de l'influence de la géométrie et des procédures d'assemblage sur la qualité du champ magnétique.<br />-Utilisation pratique des mesures effectuées sur les dipôles dans l'atelier d'assemblage pour résoudre les problèmes de production et comprendre le comportement de la géométrie des bobines pendant les phases d'assemblage.<br />-Etude théorique des composantes aléatoires des harmoniques du champ magnétique pour qualifier la production des dipôles.

Le détecteur LHCb est l'une des quatre expériences de physique des particules installées sur la nouvelle chaîne d'accélération LHC (Large Hadron Collider) du CERN à Genève. Afin de réduire la quantité de données destinées au stockage pour les analyses hors ligne, un dispositif de sélection en ligne des collisions intéressantes selon la physique à étudier est mis en place en parallèle de la chaîne d'acquisition des données. Ce dispositif est composé d'un premier niveau (niveau 0) réalisé par un système électronique complexe et d'un second niveau de sélection réalisé par informatique HLT (High Level Trigger). L'unité de décision de niveau 0 (L0DU) est le système central du niveau 0 de déclenchement. L0DU prend la décision d'accepter ou de rejeter la collision pour ce premier niveau à partir d'une fraction d'informations issues des sous-détecteurs les plus rapides (432 bits à 80 MHz). L'unité de décision est un circuit imprimé 16 couches intégrant des composants de haute technologie de type FPGA (Field Programmable Gate Array) en boîtier BGA (Bill Grid Array). Chaque sous-détecteur transmet ses informations via des liaisons optiques haute vitesse fonctionnant à 1,6 Gbit/s. Le traitement est implémenté en utilisant une architecture pipeline synchrone à 40 MHz. L'unité de décision applique un algorithme de physique simple pour calculer sa décision et réduire le flot de données de 40 MHz à 1 MHz pour le niveau de sélection suivant. L'architecture interne se compose principalement d'un traitement partiel des données destiné à l'ajustement des phases d'horloge, à l'alignement en temps et à la préparation des données pour la partie définition des déclenchements (TDU). L'architecture développée permet de configurer et de paramétrer l'algorithme de prise de décision via le système de contrôle général de l'expérience ECS (Experiment Control System) sans avoir à effectuer une reprogrammation des FPGA.

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