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.

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.

Le complexe d'accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (le Large Hadron Collider - LHC) sera mis à jour lors du long arrêt de la période LS3 en 2023-2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). La luminosité instantanée sera multipliée par 5 pour atteindre 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, ce qui correspond à environ 200 collisions inélastiques par croisement de paquets comparé aux 50 par croisement au LHC. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d'atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches de nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrée de l’ordre 400 fb⁻¹ par an pendant une dizaine d’années soit 4000 fb⁻¹ escomptées. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l'ensemble de la période du LHC. Le détecteur interne (Inner Detector) ATLAS actuel ne sera pas en mesure de faire face efficacement à l'augmentation du taux d'événements et de la dose de rayonnement. Afin d’obtenir des performances au minimum égales ou supérieures à celles de la phase LHC, et tenant compte d’un environnement plus hostile en termes de radiations et d’empilements d’évènements, il a été décidé d’opérer le remplacement complet du trajectomètre interne ou Inner Tracker (ITk); à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux capteurs pixels planaires fins à bords très minces, basés sur le concept d’utilisation de matrices de diodes à implants dopés n sur un substrat dopé p. Ce choix est motivé par les critères de meilleure performance intrinsèque, de radio-tolérance élevée ainsi qu’un coût de production optimisé pour de grandes surfaces. Dans ce travail, des capteurs de différentes épaisseurs allant de 50 μm à 150 μm dotés de bords actifs et minces ont fait l’objet d’études approfondies notamment lors de leur fonctionnement à haut flux de particules chargées. De nombreuses analyses minutieuses ont été menées pour déterminer leur résolution en position à l’aide d’un télescope de faisceau de haute énergie. Les régions d’impacts sur la zone active des pixels ainsi que sur la région des contours ont été scrutées avant et après leur irradiation. En effet, de nombreux résultats obtenus en faisceau de protons et électrons seront montrés, notamment une étude comparative des différents concepts de matrices de capteurs de pixels planaires lus avec la puce de lecture « FE-I4 » en technologie CMOS 130 nm. Préparant la phase future du LHC, nous montrerons les premiers résultats obtenus avec la nouvelle génération de pixels granulaires. Ces matrices ont été couplées à la nouvelle puce de lecture frontale récemment développée au CERN, utilisant la technologie CMOS 65 nm. Ces capteurs dotés d’ une plus fine granularité de 50×50 μm² , ont un pas optimisé lequel est nécessaire pour maintenir un taux d'occupation aussi bas que possible dans un contexte de multiplicités de particules chargées très élevées. Dans ce travail, une contribution personnelle à l’électronique de lecture sera détaillée, en particulier les études ont été menées sur la puce nommée «Ring-Oscillator» ou moniteur de radiations, développée au laboratoire. On décrira son comportement dynamique en fonction de la température, de la tension nominale et en conditions hautement radiatives (500 MRad). La mise au point d’un nouvel outil de caractérisation de détecteurs pixels a fait l’objet d’un développement important. Grâce à un ensemble basé sur une excitation laser de 1060 nm, il sera possible de disposer d’un système précis et autonome capable de mesurer rapidement les caractéristiques fonctionnelles des matrices de pixels avec une excellente résolution spatiale. Les caractéristiques de cet outil feront l’objet d’une présentation exhaustive. / The Large Hadron Collider (LHC) will go through the accelerator complex upgrade during the LS3 long shutdown in 2023-2025 to move to the High Luminosity phase (HL-LHC). As a result, an instantaneous luminosity will increase sevenfold to 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, corresponding to approximately 200 inelastic collisions per bunch-crossing, whereas the LHC runs resulted in up to 50 collisions per bunch-crossing. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high-precision in studies of Standard Model processes and searches for new physics, about 4000 fb⁻¹ of integrated luminosity be collected, which is of an order of magnitude larger than over the entire LHC period. The present ATLAS Inner Detector (ID) will not be able to efficiently cope with the increased event rate and radiation dose. Due to this fact the complete replacement of the ID is foreseen with fully silicon Inner Tracker (ITk) to provide high tracking performance in harsher environment delivered by the HL-LHC. This thesis is focused on the study of new n+-in-p planar silicon sensors, as a promising option to instrument the ITk pixel layers, considering their radiation hardness and cost-effectiveness. Sensors of different thicknesses ranging from 50 µm to 150 µm of active and slim edge designs have been tested at a high energy particle beam to investigate hit efficiency performance analyzed on the pixel active area and on the edge area before and after irradiation. The test beam results and their comparison for the different designs of the pixel sensors compatible with FE-I4 readout chip are discussed. Also, the first results on test beam characterization of the pixel modules employing a newly developed prototype of readout chip for the ITk, RD53A chip, implemented in 65 nm CMOS technology, were obtained. The sensors with the decreased to 25×100 µm² and 50×50 µm² pixel pitch to maintain the lower level of occupancy at high particle multiplicity were measured. Additionally, the tests of ring oscillators, contained in RD53A chip, which may be used as a monitor of the received radiation dose, were carried out depending on temperature, supplied voltage and irradiation level up to 500 MRad. Finally, the test bench setup for silicon pixel detectors characterization using an infra-red laser has been the subject of an original development in this thesis. The setup was developed in the clean room at Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) and it is capable of rapidly measuring the functional characteristics, providing a flexible charge injection with well-defined hit position to characterize the silicon pixel matrixes. The software to control the setup was created using LabVIEW programming environment. The results of the measurements with the FE-I4 module implemented with openings allowing the laser beam passage on a sensor backside are presented in this thesis.

Cette thèse présente une recherche de la production de paires de bosons de Higgs en utilisant les données des collision proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec les détecteur CMS auprès du LHC du CERN. Les évènements avec les deux boson de Higgs se désintégrant en une paire de quark b et de leptons tau (HH -> bb tau+tau-) sont utilisés pour l’exploration des mécanismes de production résonante et non-résonante.La mesure de la production de HH est expérimentalement difficile à cause de la petite section efficace prévue par le modèle standard de la physique des particules. Sa recherche est néanmoins motivée par les informations qu’elle peut révéler sur la nature de la brisure de la symétrie électrofaible. La production de HH donne accès à l’auto-couplage trilineaire du boson de Higgs et, par conséquent, à la forme du potentiel scalaire. En plus, elle est sensible à la présence de physique au-délà du modèle standard. La présence de nouvelles résonances se désintégrant en HH et de couplages anormales du boson de Higgs sont étudiées dans ce travail.Les leptons tau ont un rôle de premier plan dans cette recherche et un effort important a été consacré à l’amélioration de leur efficacité de sélection par le système de déclenchement de l’expérience CMS. En particulier, le déclenchement de premier niveau (L1) a été amélioré pour faire face aux nouvelles conditions des collisions du Run II du LHC, marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse et de la luminosité instantanée. Ce nouveau système de déclenchement permet de développer un algorithme spécifique pour la reconstruction des leptons tau se désintégrant en hadrons (tauh) et un neutrino.Cet algorithme se fonde une technique avancée de regroupement dynamique de l’énergie et utilise des critères dédiés pour la réjection du bruit de fond. Le développement, l’implementation, et la vérification de son fonctionnement pour le redémarrage du LHC sont présentés ici. La performance de l’algorithme est initialement évaluée grâce à une simulation et puis mesurée avec les données de l’expérience CMS. Son excellente performance est un element essentiel dans la recherche de la production de HH.L’investigation du processus HH -> bb tau+tau- utilise les trois canaux de désintégration du système tau+tau- avec au moins un tauh dans l’état final. La sélections et categorisation des évènements sont conçues pour optimiser la sensibilité de la recherche, et des techniques d’analyse multivariés sont mises en place pour distinguer le signal du bruit de fond.Les résultats sont présentés en utilisant une luminosité intégrée de 35.9 fb-1. Ils sont compatibles, dans les incertitudes expérimentales, avec les prédictions du modèle standard pour les bruits de fond. Des limites supérieures à la production résonante de HH sont évaluées et interprétées dans le contexte du modèle standard supersymmétrique minimal. Les limites supérieures à la production non-résonante permettent de contraindre l’espace des paramètres des couplages anormales du boson de Higgs. Les limites supérieures observées et attendues correspondent respectivement à environ 30 et 25 fois la prédiction du modèle standard. Ils représentent l’un des résultats les plus sensibles à la production de HH atteint jusqu'à présent au LHC.Les perspectives pour l‘observation de la production de HH au LHC sont enfin discutées. Les résultats précédemment obtenus sont extrapolés à une luminosité intégrée de 3000 fb-1 sous des différentes assomptions pour la performance du détecteur et de l’analyse. / This thesis describes a search for Higgs boson pair (HH) production using proton-proton collision data collected at sqrt(s) = 13 TeV with the CMS experiment at the CERN LHC. Events with one Higgs boson decaying into two bottom quarks and the other decaying into two tau leptons (HH -> bb tau+tau-) are explored to investigate both resonant and nonresonant production mechanisms. The measurement of HH production is experimentally challenging because of the tiny cross section predicted by the standard model of particle physics (SM). However, this process can reveal invaluable information on the nature of electroweak symmetry breaking by giving access to the Higgs boson trilinear self-coupling and, consequently, to the shape of the scalar potential itself. Moreover, HH production is sensitive to the presence of physics beyond the SM. Both the presence of new states decaying to HH and of anomalous Higgs boson couplings are investigated in this work.Tau leptons have a key role in this search and considerable effort has been devoted to ensure a high efficiency in their selection by the trigger system of the CMS experiment. In particular, the CMS Level-1 (L1) trigger was upgraded to face the increase in the centre-of-mass energy and instantaneous luminosity conditions expected for the LHC Run II operations. The upgrade opened up the possibility to develop an efficient and dedicated algorithm to reconstruct tau leptons decaying to hadrons (tauh) and a neutrino.The tau algorithm implements a sophisticated dynamic energy clustering technique and dedicated background rejection criteria. Its development, optimisation, implementation, and commissioning for the LHC restart are presented. The algorithm performance is initially demonstrated using a simulation and subsequently measured with the data collected with the CMS experiment. The excellent performance achieved is an essential element of the search for HH production.The investigation of the HH -> bb tau+tau- process explores the three decay modes of the tau+tau- system with at least one tauh object in the final state. A dedicated event selection and categorisation is developed and optimised to enhance the sensitivity, and multivariate techniques are applied for the first time to these final states to separate the signal from the background.Results are derived using an integrated luminosity of 35.9 fb-1. They are found to be consistent, within uncertainties, with the SM background predictions. Upper limits on resonant production are set and interpreted in the context of the minimal supersymmetric standard model. Upper limits on nonresonant production constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed and expected upper limit are about 30 and 25 times the SM prediction, respectively, corresponding to one of the most stringent limits set so far at the LHC.Finally, prospects for future measurements of HH production at the LHC are evaluated by extrapolating the current results to an integrated luminosity of 3000 fb-1 under different detector and analysis performance scenarios.