Ce document résume les travaux de développements du framework et des algorithmes de reconstruction pour le détecteur ATLAS au LHC. Une riche bibliothèque d'algorithmes de reconstruction a été développée, dans un environnement qui s'est peu à peu complexifié. Le code de reconstruction, initialement conçu sur une simulation Monte-Carlo plutôt optimiste, est en train d'être confronté au réalisme d'une simulation fidèle à la construction effective du détecteur. Le ≪Petit Higgs≫ est une théorie effective qui peut être prise au premier degré, ou bien comme prétexte à l'étude de résonances lourdes. Dans plusieurs cas ces résonances peuvent effectivement être détectées, dans des canaux originaux comme tZ, ZH ou WH.

Cette thèse a pour objet l'étude de la désintégration du boson de Higgs dans le canal en H → Z Z^(∗) → 4e dans le détecteur ATLAS. Cette étude a commencé alors que le LHC n'était pas en fonctionnement et a donc porté principalement sur des simulations. Il est apparu rapidement qu'un des enjeux était les performances de reconstruction et d'identification des électrons. Ce travail porte donc principalement sur l'étude de la reconstruction des électrons, tout d'abord sur l'évaluation de l'impact de certains effets liés au rayonnement bremsstrahlung, puis sur l'amélioration de la reconstruction, et enfin sur l'optimisation de l'identification. Une optimisation des coupures d'identification des électrons a été effec- tuée afin de les rendre plus robustes et en harmonie avec le système de déclenchement, en prévision des premières données du LHC à 7 TeV. Cela a permis de gagner en efficacité de reconstruction des électrons tout en maintenant la réjection nécessaire des bruits de fond (hadrons, quarks lourds, photons convertis). En vue d'améliorer la reconstruction et l'identification, de nouvelles variables ont été proposées pour l'association entre trace et dépôt électromagnétique, moins sensibles à l'effet bremmstrahlung et plus dicriminantes avec les bruits de fond. En parallèle, l'impact de ces améliorations sur les performances de l'analyse H → Z Z^(∗) → 4e a été évalué à 40%. Il a été aussi proposé de modifier les coupures de sélection des évènements à quatre électrons afin d'optimiser le rapport signal sur bruit. Enfin, le démarrage du LHC a permis l'étude des premiers électrons issus d'évènements de biais minimum, et de désintégrations de bosons Z. La comparaison des variables caractéristiques (forme de gerbe, trace) des électrons a montré des désaccords par rapport aux simulations, et a permis de mettre en évidence des effets de désalignement entre le calorimètre électromagnétique et le détecteur interne de traces. Dans le même temps, l'accumulation de données a permis l'observation des premiers évènements Z → ee accompagnés d'électrons supplémentaires, ce qui inaugure les analyses des bruits de fond au signal H → Z Z^(∗) → 4e.

Photoproduction has been used at colliders for decades in order to study hadronic properties of matter. The energy and luminosity of recent and future colliders allow probing also the electroweak sector through photon-photon and photon-proton interactions. At the HERA electron-proton collider, studies of the W boson production provide a stringent test of the Standard Model. At the LHC, photoproduction has to be separated from the overwhelming background of partonic interactions. A powerful ‘tagging’ technique can be introduced by adding special detectors placed far from the interaction point to detect forward scattered protons, usually present in photon-mediated processes. The HECTOR software package was written in order to provide accurate simulation of forward protons trajectories in the LHC beam-lines. These tools have been used in order to study the photoproduction of top quarks via flavor-changing neutral currents. This process is practically absent in the Standard Model, while it appears in some of its extensions. Detection of such a process would thus be an evidence for the existence of physics beyond the Standard Model.

Détection et identification de la réaction quark + anti-quark -> e+ + e- à l'aide du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) auprès du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Cette réaction permet de tester avec précision le Modèle Standard et de rechercher d'éventuelles nouvelles particules (Z') prédites par les théories de grande unification (GUT) et par les modèles à dimensions spatiales supplémentaires.

A measurement of the azimuthal decorrelation in di-jet events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}= 7\,$TeV is presented. Using $19.6\,$nb$^{-1}$ of data collected in the ATLAS detector this measurement uses the angle ($\Delta\phi$) in the transverse plane between the two leading $p_T$ jets to measure the normalized differential cross section $\frac{1}{\sigma_{tot}}\frac{d\sigma}{d(\Delta\phi)}$. An unfolding correction is a applied to give a jet-level result. The unfolded spectrum is compared to the predictions of two Monte Carlo event generators: Pythia and Herwig++.

A measurement of the azimuthal decorrelation in di-jet events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}= 7\,$TeV is presented. Using $19.6\,$nb$^{-1}$ of data collected in the ATLAS detector this measurement uses the angle ($\Delta\phi$) in the transverse plane between the two leading $p_T$ jets to measure the normalized differential cross section $\frac{1}{\sigma_{tot}}\frac{d\sigma}{d(\Delta\phi)}$. An unfolding correction is a applied to give a jet-level result. The unfolded spectrum is compared to the predictions of two Monte Carlo event generators: Pythia and Herwig++.

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In this thesis I explore the possibilities of detecting doubly charged Higgs bosons from the Higgs Triplet Model (HTM) at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Higgs bosons are included into the Standard Model (SM) of particle physics in order to explain the origin of mass of the elementary particles. Even though the SM is considered to be a reliable starting point for any particle theory, no Higgs particles have to this day been found. There are therefore high expectations for the record-breaking energies of the LHC to lead to a Higgs discovery. The HTM produces seven different Higgs bosons, and among these we find the doubly charged ones. Because of their exotic charge, I focus on studying these Higgs particles in particular. To this purpose, I implement the full HTM theory as an alternative model option in standard particle physics Monte-Carlo software and then simulate LHC proton-proton collisions at a center of mass energy of 14 TeV. The investigated signal is defined as two like-signed leptons, four hard jets and missing energy in the final state. The main production mechanisms are pair-production and associated production with a singly charged Higgs. Since I choose to study a region of parameter space where the triplet vacuum expectation value is relatively large, the doubly charged Higgs decays into W's and the singly charged Higgs into WZ or tb. The results of the simulations show that the LHC could probe Higgs masses up to at least 300 GeV with an integrated luminosity of about 300 fb.1.

Ce mémoire présente une synthèse des travaux que j'ai effectués depuis 7 ans pour la préparation de l'expérience ATLAS, devant fonctionner auprès du futur grand collisionneur de hadrons du CERN, le LHC, qui entrera en service en 2008.

This dissertation presents a measurement of the W+b-jets \((pp → W + b(\bar{b}) + X)\) production cross-section in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV at the LHC. The results are based on data corresponding to an integrated luminosity of \(4.6 fb^{−1}\), collected with the ATLAS detector. The measurement probes the QCD sector of the Standard Model at high energy, in a region where b-quark mass and double parton scattering play an important role. In addition, the measurement is relevant for searches for physics beyond the Standard Model in final states with a W boson and b-jets. The measurement relies on the leptonic decay modes of the W, and on the iden- tification of b-jets. The backgrounds to the W+b-jets process are estimated using Monte Carlo simulation and data-driven techniques. Cross-sections, corrected for all known detector effects and quoted in a limited kinematic range, are presented as a function of jet multiplicity and of the transverse momentum of the leading b-jet for both the muon and electron decay modes of the W boson. / Physics