Nesta dissertação, revisamos o desenvolvimento do mecanismo de Higgs e a sua importância para a estruturação do Modelo Padrão da física de partículas elementares sob um ponto de vista histórico e contemporâneo. Foi enfatizado como a introdução de um dubleto escalar complexo com as simetrias de gauge do modelo fez com que algumas partículas adquirissem massa. Foi apresentado o contexto da descoberta do bóson de Higgs consumada em 2012 e possíveis discrepâncias nos resultados obtidos no Large Hadron Collider que poderiam indicar a possibilidade de física nova, em especial no canal de decaimento H . Estudamos as contribuições para a largura deste bóson em dois fótons com a introdução de novas partículas fermiônicas e escalares. Uma síntese do cálculo da largura deste canal, assim como as técnicas envolvidas para realizá-lo, são apresentadas. Considerando apenas as duas contribuições dominantes, foi estimado um valor de 9,165 keV para a largura do decaimento, resultando em uma razão de ramificação de 2,24 · 10^. / In this dissertation, we review the development of the Higgs mechanism and its importance to the structure of the Standard Model of elementary particles physics from a historical and contemporary point of view. It was emphasized how the introduction of a complex scalar doublet with the gauge symmetries of the model induces some particles to acquire mass. It was presented the context of Higgs boson discovery accomplished in 2012 and possible discrepancies in the results obtained at the Large Hadron Collider which may indicate the possibility of new physics, in particular in the H decay channel. We studied the contributions to the width of this boson decay into two photons with the introduction of new fermionic and scalar particles. A synthesis of computation of this channel width, as well as techniques involved to accomplish it, are presented. Considering the only two dominant contributions, it was estimated a value of 9.165 keV for the decay width, resulting in a branching ratio of 2.24 · 10^{3}.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-04-24T20:07:58Z No. of bitstreams: 1 candidaaparecidadelgadomeneghin.pdf: 3164631 bytes, checksum: 758ae4d7947524f75f92f7c77ad74c82 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-04-25T12:13:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 candidaaparecidadelgadomeneghin.pdf: 3164631 bytes, checksum: 758ae4d7947524f75f92f7c77ad74c82 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-25T12:13:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 candidaaparecidadelgadomeneghin.pdf: 3164631 bytes, checksum: 758ae4d7947524f75f92f7c77ad74c82 (MD5) Previous issue date: 2014-02-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O Modelo Padrão reúne tudo o que é atualmente conhecido sobre os mais fundamentais constituintes da matéria e suas interações. Embora o Modelo Padrão descreva com precisão os fenômenos dentro do seu domínio, ele ainda está incompleto. Desta forma, novas informações a partir de experimentos no Grande Colisor de Hádrons (LHC) e do detector ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) irão ajudar na busca de novas partículas. O processo de colisões de prótons que geram decaimentos com estado final leptônico é utilizado na busca de várias físicas de interesse, como por exemplo, a partícula Z’ e seu decaimento em elétron e pósitron. Neste trabalho foram feitas diversas análises com o intuito de verificar o comportamento do algoritmo HTL_Ringer e do Algoritmo e/γ Padrão em relação à eficiência de classificação de elétrons/pósitrons e rejeição de jatos através da análise de dois parâmetros. O primeiro diz respeito ao comportamento dos classificadores em relação ao reconhecimento dessas partículas numa larga faixa de momento. O segundo parâmetro utilizado para análises foi a coordenada η do detector ATLAS, com o objetivo não só de verificar o comportamento dos dados em relação a posição de choque com o detector, mas principalmente como os dois algoritmos se comportam em relação à essa coordenada e como esta informação pode influenciar na classificação das partículas de interesse. Os resultados mostram que as eficiências de classificação podem ser influenciados por estes dois parâmetros. / The Standard Model collects everything that is currently known about the most fundamental elements of matter and their interactions. The Standard Model accurately describes the phenomena within its domain, but it is still incomplete. So, new information from experiments in the Large Hadron Collider (LHC) and the ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) detector will help quest for new particles. The process of protons collisions generate decays with lepton final state, which is used in several physical researches, in particular the Z’ particle and its decay in electron and positron. In this work several analyzes in order to verify the behavior of the HTL_Ringer and the e/γ Standard algorithms regarding efficiency rating of electrons/positrons and jets rejection by two parameters were made. The first one investigates the performance of these classifiers on classifying these particles in a wide range of momentum. The second parameter used for analysis was the η coordinate from ATLAS detector, aiming not only to verify the behavior of the data in relation to the detector hitting position, but mostly how the two algorithms behave to this coordinate and how this information can influence the classification of the particles of interest. The results show that the efficiency of classification can be affected by these two parameters.

La première partie de cette thèse porte sur l'amélioration de l'algorithme de l'étape d'initiation de reconstruction des traces de hadrons et de muons au sein du trajectographe au silicium de l'expérience CMS. Les différentes étapes de mise au point et de tests, qui ont permis d'aboutir à la qualification de ce nouvel algorithme en tant que méthode standard d'initiation de la reconstruction des traces, sont présentées dans ce document.La deuxième partie concerne la mise en place d'une méthode alternative de mesure de la section efficace de production des paires top-antitop dans l'expérience CMS lors du démarrage du LHC. Cette analyse est effectuée à partir du canal de désintégration semi-muonique avec au moins un muon supplémentaire provenant d'un des quarks bottom et a été réalisée en simulation complète démontrant ainsi la possibilité d'une “redécouverte” possible du quark top avec 5 pb-1. Les 2.4 pb-1 de données réelles obtenues à la fin du mois d'Août m'ont permis d'observer les premières paires top-antitop et d'effectuer une première mesure de section efficace : 171±77(stat.) ±27(syst.) pb / The first part of this thesis is about the improve made to the seeding algorithm of track reconstruction for the hadrons and the muons in the silicon tracker of the CMS experiment. The different stages from the creation to the tests, which allowed us to qualify this new algorithm as the standard seeding for tracks reconstruction, are presented in this document. The second part is dedicated to the creation of an alternative method to measure the cross-section of the top-antitop pairs production in the CMS experiment at the LHC launch. This analysis has been made using the channel of the semi-muonic decay with at least one another muon coming from a bottom quark and has been studied on full simulation showing the feasibility to “re-discover” the top quark with 5 pb-1. The 2.4 pb-1 of data collected by the end of august have allowed me to observe the first top-antitop pairs and to make the first cross-section measurement: 171±77(stat.) ±27(syst.) pb.

Ce manuscrit décrit mon travail de thèse au sein de l’expérience CMS du collisioneur LHC. Il présente les deux sujets sur lesquels j’ai travaillé : un sujet orienté détecteur et un sujet orienté analyse de données. Le premier sujet, orienté détecteur, se situe dans le cadre du projet HL-LHCqui prévoit une augmentation de la luminosité instantanée d’un facteur cinq. Une telle augmentation et la conservation du système de haut niveaudu déclenchement (HLT), engendre de nouvelles contraintes sur le détecteurCMS. Notamment au niveau du système de déclenchement électronique. Lacollaboration CMS envisage d’implanter ce dernier au sein du détecteur detraces. Deux méthodes de déclenchement sont proposées : la méthode des modules empilés et la méthode des mémoires associatives. La méthode desmémoires associatives necessite toutefois une présélection intéligente des signauxélectriques pour être utilisable. La méthode de la largeur des amas estproposée conjointement par l’équipe de Fabrizio Palla (Pise) et par l’équipede Didier Contardo (IPNL) pour présélectionner les signaux. L’optimisation de cette méthode, en particulier des paramètres géométriques des modules etdes seuils appliqués pour la présélection des signaux électrique, est le résultatde mon travail. Il est détaillé tout au long de la partie III de ce manuscrit. Le deuxième sujet concerne l’analyse des données récoltées par CMS durant l’année 2011. Cette analyse a pour objectif de rechercher de nouvellesparticules dans le spectre de masse invariante top anti-top. De par sa grande masse, proche de la brisure électrofaible, le quark top joue un rôle prépondérantdans de nombreuses extensions du Modèle Standard. L’observation de résonances étroites dans le spectre pourrait en être le signe. L’analyseest subdivisée en trois parties : la sélection des évènements top anti-top, la reconstruction de la masse invariante top anti-top et une étude statistique pour quantifier la présence de nouvelle physique. Les résultats de ce travailsont des limites sur la section efficace de production de nouvelles particules.Ils sont présentés dans la partie IV du manuscrit. / This manuscript describes my thesis work within the CMS experiment ofthe LHC collider. It presents both subjects on which I worked : a detectorsubject and a data analysis subject. The first subject, detector, is situated within the framework of the HL-LHCproject which plans an increase by a factor five the instantaneous luminosity.Such an increase and the preservation of the high level trigger (HLT)system, generate new constraints on the CMS detector. This is particularly true for the electronic trigger (L1) system. The CMS collaboration intends to implant this within tracker detector. Two methods are proposed : the stubmodules method and the associative memorie method. However, associativememorie method require a clever preselection of electric signals to be usable.The cluster width method is jointly proposed by Fabrizio Palla’s team (Pisa) and by Didier Contardo’s team (IPNL) to preselecte electric signals. The optimization of this method, in particular geometrical parameters of modules and thresholds applied for the electric signals preselection, is the result of myown work. It is detailed throughout the part III of this manuscript. The second subject concerns the analysis of data collected by CMS during 2011. This analysis has for objective to look for new particles in the spectreof anti-top top invariant mass. Due to its big mass, close to the electroweak symmetry breaking energy, the top quark plays a important role in numerous extensions of the Standard Model. The observation of narrow resonances in the spectre could be the sign of new particles. The analysis is subdivided into three parts, the selection of top anti-top events, the reconstruction of top anti top invariant mass and a statistical study to quantify the presence of new physics. The results of this work are limits on the cross-section productionof new particles. They are presented in the part IV of this manuscript.

La masse du quark top est un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules. L'un des défis du programme de physique du LHC, où le quark top est produit en abondance, est la détermination précise de ce paramètre. Actuellement, il est mesuré via la reconstruction directe de tous les produits de désintégration du quark top. L'incertitude systématique sur la calibration en énergie des jets et sur l'étiquetage de quarks b limite grandement la précision de cette mesure et il est donc indispensable de développer des mesures alternatives. Une possibilité très prometteuse – jusque-là jamais exploitée – est l'étude de désintégrations de paires de quarks top, où l'un des deux quarks se désintègre dans le canal leptonique avec un J/psi créé lors de la fragmentation du quark b. La masse du quark top est extraite à travers sa corrélation à la masse invariante de la combinaison du J/psi et du lepton chargé. Cette méthode présente l'avantage de n'utiliser que des leptons chargés, dont l'énergie-impulsion est mesurée avec une grande précision dans le détecteur CMS / The top quark mass is a fundamental parameter of the Standard Model of Particle Physics. One of the challenges in the LHC physics case, where the top quark is produced in abundance, is the precise determination of this parameter. Currently, it is measured through the direct reconstruction of all the top quark decay products. The systematic uncertainty on the jet energy calibration and b tagging sensibly limits the precision on this measurement and it is thus vital to develop alternative measurements. A very promising possibility – never exploited until now – is the study of top pair decays, where one of the two quarks decays in the leptonic channel with a J/psi created in the b quark fragmentation. The top quark mass is extracted through its correlation to the invariant mass of the J/psi-charged lepton combination. This method presents the advantages of using charged leptons only, whose energy momentum is measured with great accuracy in the CMS detector

Avec la découverte en juillet 2012 par les collaborations CMS et ATLAS d'un nouveau scalaire, aux propriétés similaires à celles d'un boson prédit plus de 50 ans auparavant, la phénoménologie au-delà du modèle standard (SM) a fait un grand pas. En effet, la découverte de cette pièce manquante du puzzle électrofaible a rendu certains modèles impossibles, tout en renforçant la crédibilité du SM. Cependant, on sait que le SM n'est pas le mot de la fin, car certaines de ses prédictions ne s'accordent pas avec les expériences, et ce boson est donc vu comme une porte vers de nouveaux secteurs de la physique. Après une introduction au SM et aux statistiques de la physique des particules, nous présenterons un paramétrage des couplages mesurés au LHC, afin de contraindre, via ces couplages, des modèles de physique au-delà du SM, plus fondamentaux. Ce paramétrage, s'intéressant particulièrement aux couplages à boucles, permettrait de lever une corrélation existant entre les paramètres actuellement utilisés. Nous étudierons ensuite la possibilité d'existence d'un scalaire, plus léger que celui observé, et ayant échappé aux recherches passées, et de sa recherche au LHC à l'aide de ce paramétrage. Nous donnerons des exemples de paramètres faisant apparaître un tel scalaire, dans le 2HDM et le NMSSM. Enfin, nous verrons que le scalaire peut influencer la production d'une paire de bosons de jauge faible, et qu'à l'aide de notre paramétrage, l'analyse de ce processus peut être utilisée de manière cohérente avec les mesures au pic de masse pour contraindre ces couplages. Nous finirons avec quelques limites de cette approche, ainsi que des propositions d'améliorations / With the discovery of a new particle in July 2012 by the CMS and ATLAS experiments, with properties resembling those of a boson predicted about 50 years earlier by theorists, the search for physics outside of the standard model of particle physics (SM) has made a big step. Indeed, the existence of this piece of the electroweak symmetry breaking proved wrong many theories, while giving more credit to the SM. However, because of some observations it fails to match, we know the SM cannot be the final word, and it is hoped that the study of this new particle will be a path to new sectors of physics. After a brief description of the SM and of the statistics of particle physics, we will present a way to parametrise the couplings measured at CERN, in order to constrain, through these couplings, more fundamental models describing physics beyond the standard model. This parametrisation, focusing on loop-induced couplings, would allow to lift a correlation existing between parameters currently used by experimentalists. We will then study the feasibility of a search for another scalar, lighter than the one discovered and which would have escaped previous searches, through the use of the same parametrisation. In two models, the 2HDM and the NSSSM, values of parameters yet unconstrained are shown.Finally, we will see that this scalar can also influence the joint production of two weak gauge bosons. We will show that the analysis of this process can be used in a coherent manner with on-shell Higgs measurements to constrain its couplings through our parametrisation. We will then end with a brief look at some limitation of this approach, before suggesting ways to overcome them

L’expérience ALICE a pour principal objectif l’étude et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Les quarkonia constituent l’une des plus intéressantes sondes (des états liés d’un quark lourd Q et de son anti-quark Q) du QGP. De plus, l’étude de la production des quarkonia est très intéressante puisqu’elle peut contribuer à une meilleure compréhension de la Chromodynamique Quantique, la théorie décrivant l’interaction forte. La formation d’états de quarkonia lors de collisions hadroniques n’est pas bien comprise. Les deux principales approches théoriques décrivant la production d’états de quarkonia, le ‘Color Singlet Model’ (CSM) et la QCD non-relativiste (NRQCD), ont montré des difficultés à décrire simultanément la section efficace de production et la polarisation de tels états. Expérimentalement, les mesures de la polarisation des quarkonia n’ont pas toujours été compatibles entre elles. Ainsi, que ce soit du point de vue expérimental ou théorique, l’étude des quarkonia est restée inachevée. De nouvelles méthodes récemment proposées ont souligné la nécessité de mesurer tous les paramètres de la polarisation, dans les différents systèmes de référence. Dans ce contexte, de nouvelles mesures peuvent améliorer les contraintes actuelles, voire apporter de nouvelles contraintes sur les prédictions. ALICE a mesuré la polarisation du J/ψ lors de collisions pp à √8 = 7 TeV. La plus grande statistique des données à 8 TeV par rapport aux données à 7 TeV permet d’étendre les mesures à une gamme de pT plus large. Cette thèse présente une mesure complète de la polarisation de J/ψ, i.e. les trois paramètres de polarisation, dans deux systèmes de référence différents: le système Collins-Soper et le système d’hélicité. Les résultats ne montrent aucune polarisation significative pour le J/ψ dans le domaine cinématique étudié : 2.5 < y < 4.0 et 2 < pT < 15 GeV/c. Le paramètre invariant λ a également été mesuré afin d’écarter le risque d’un biais dans la procédure d’analyse. La comparaison de ces résultats avec les prédictions théoriques montre que la production de quarkonia n’est pas encore correctement décrite. Aucun de ces modèles théoriques n’est capable de décrire à la fois les mesures de sections efficaces et de polarisation. / The main purpose of the ALICE experiment is the study and characterization of the Quark Gluon Plasma (QGP), a state of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined. Quarkonia (bound states of a heayvy quark Q and its anti-quark Q) constitute one of the most interesting probes of the QGP. Besides this motivation, the study of quarkonium production is very interesting since it can contribute to our understanding of Quantum Chromodynamics, the theory of strong interactions. The formation of quarkonium states in hadronic collisions is not yet completely understood. The two main theoretical approaches to describe the production of quarkonium states, the Color Singlet Model and the Non-Relativistic QCD framework (NRQCD), have historically presented problems to simultaneously describe the production cross section and polarization of such states. On the experimental side, quarkonium polarization measurements have not always been complete and consistent between them. So, neither from the theoretical nor from the experimental point of view the situation was clear.Improved methods for the measurement of quarkonium polarization have been recently proposed, highlighting the necessity to perform the measurements of all polarization parameters with respect to different reference axes. In this context, new measurements could help to improve and set new constraints to the calculations. ALICE has measured the J/ψ polarization in pp collisions at √8= 7 TeV. The higher statistics of the 8 TeV data with respect to the 7 TeV data allows to extend the pT range of the measurements. This thesis presents a complete measurement of J/ψ polarization, i.e. the three polarization parameters, in two polarization frames : the Collins-Soper and Helicity frames. The results show no significant J/ψ polarization in the kinematic domain studied: 2.5 < y < 4.0 and 2 < pT < 15 GeV/c. The measurement of a frame invariant parameter λ, was also performed to ensure that no bias was present in the analysis procedure. The comparison with different theoretical predictions shows that there is not yet a satisfactory description of quarkonium production. None of the present theoretical approaches is able to describe both, the cross section and polarization measurements.

Le travail présenté dans cette thèse a été effectué au sein de la collaboration internationale LHCb qui a conçue et qui exploite un détecteur pour la physique des particules auprès de l’accélérateur proton-proton, le LHC, au CERN à Genève. Ces travaux concerne l’opération de l’expérience dans son ensemble. Ils ont montré toutes leurs forces pendant la première année de prise de données qui a débutée fin 2009. Ils couvrent plusieurs systèmes qui sont très dépendant les uns des autres. Deux systèmes sont plus particulièrement étudiés. Le premier est en charge de la surveillance des faisceaux, du niveau des bruits de fond et de la luminosité. Le second permet la visualisation, l’analyse et l’optimisation des conditions expérimentales. Ces deux systèmes sont fortement interconnectés. En effet, l’amélioration de la qualité des faisceaux de la machine et la diminution du bruit de fond augmentent le nombre de collisions utiles pour la physique. En même temps, comprendre les paramètres clefs qui gouvernent l’opération de l’expérience permet de les optimiser et d’améliorer la qualité des données collectées. / There are two main central topics in the thesis: the LHCb beam, background and luminosity monitoring systems and the LHCb optimization systems of experimental conditions. These systems are heavily connected to each other, as improving the machine beam, background and luminosity conditions will automatically improve global operation by maximizing the ratio of luminosity recorded over signal background. At the same time, improving the operation of the experiment will help improve luminosity, by studying more accurately the beam and background conditions and therefore improving the LHC machine settings. In this thesis, the systems to accomplish the requirements of these two main topics are described in detail.

Le LHC, qui est le collisionneur proton-proton le plus puissant du monde situé au CERN (Suisse), donne une occasion unique de pouvoir tester nos connaissances des interactions fondamentales à l'échelle du TeV. Au cours de cette thèse, deux projets ont été accomplis dans ce but. Tout d'abord, la mesure de la section efficace de production d'au moins deux photons dans l'état final (pp→γγ+X) a été réalisée à l'aide des données prises avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV par le détecteur ATLAS, qui est l'un des détecteurs polyvalents installé autour du LHC. Les photons sont des particules intéressantes pour tester la théorie de l'interaction forte (chromodynamique quantique ou QCD) car ils sont couplés aux quarks et aux gluons sans pour autant s'hadroniser, ce qui permet de pouvoir les mesurer avec une très bonne résolution. La mesure de leur taux de production au LHC permet de tester la QCD à la fois dans le domaine perturbatif et non-perturbatif. Elle est également sensible à l'émission de particules à basse énergie dans l'état initial, qui est un phénomène délicat à décrire d'un point de vue théorique à cause des divergences molles et collinéaires découlant de la QCD. Les incertitudes expérimentales ont été divisées par un facteur 2 ou plus comparé aux mesures réalisées précédemment au LHC ou au Tevatron (Fermilab, États-Unis) et la très bonne statistique des données d'ATLAS à 8 TeV a permis une augmentation significative à la fois de la résolution et de la portée de la mesure. En général, un bon accord est observé avec les prédictions théoriques. Le second projet réalisé au cours de la thèse est consacré à l'évaluation du potentiel de découverte relié à la mesure de la diffusion γγ au LHC (γγ→γγ). La diffusion γγ est un processus singulier car prédit uniquement via des fluctuations quantiques qui n'a jamais été observé directement. Il implique un terme de couplage à quatre photons, qui montre une sensibilité significative à une large gamme de modèles d'extension du modèle standard à haute énergie, tels que ceux prédisant l'existence de dimensions supplémentaires de l'espace pour résoudre le problème de hiérarchie. En tirant profit du flux important de photons venant des protons au LHC, je montre qu'il est possible de découvrir des couplages anomaux à quatre photons avec une sensibilité permettant de rivaliser avec certaines recherches directes. Enfin, j'ai eu l'occasion de tester la nouvelle puce SAMPIC qui vise à réaliser des mesures de temps de vol avec une précision de l'ordre de quelques picosecondes grâce à un échantillonnage rapide des signaux de détecteur. Les performances de SAMPIC ont été testées à partir de signaux gaussiens produits par un générateur et par des détecteurs soumis à des impulsions infrarouges. Dans ces conditions idéales, SAMPIC permet de réaliser des mesures de temps de vol avec une résolution de l'ordre de 4 (40) ps pour les signaux générés (de détecteurs). / The LHC, which is the most powerful proton-proton collider in the world located at CERN (Switzerland), brings unprecedented opportunities to test our knowledge of the fundamental interactions at the TeV scale. In this work, two main projects have been achieved for this purpose. First, the production cross section measurement of at least two photons in the final state (pp→γγ+X) is performed with data taken at a center-of-mass energy of 8 TeV by the ATLAS detector, which is one of the multipurpose detector installed around the LHC ring. Photons are interesting probes to test the theory of strong interactions (Quantum chromodynamics or QCD) since they couple significantly to quarks and gluons but do not hadronize and thus still allow to perform high resolution measurements. The measurement of their production rate at the LHC allows to test QCD in both the perturbative and the non-perturbative domain. It is also sensitive to the emission of soft particles in the initial-state, which is tricky to handle on the theory side due to the collinear and soft divergences arising in QCD. Experimental uncertainties have been reduced by a factor 2 or more with respect to the measurements performed previously at the LHC or at the Tevatron (Fermilab, USA) and the high statistics of the ATLAS data sample at 8 TeV allows to increase significantly both the reach and the resolution of the measurement. In general, a good agreement is observed with theoretical predictions. The second project achieved in this work is dedicated to the evaluation of the light-by-light scattering potential (LbyL, γγ→γγ) for new physics searches. LbyL is an intriguing process arising from quantum fluctuations only that has never been observed directly. It involves four-photon couplings, which are shown to be highly sensitive to a broad range of new physics models at high energy such as the ones predicting the existence of extra spatial dimensions to solve the hierarchy problem currently affecting the standard model of particle physics. By taking benefit of the photon flux from the protons at the LHC, I show that one may discover anomalous four photon couplings with a sensitivity allowing to compete with several direct new physics searches. Finally, I had the opportunity to test the new SAMPIC chip which aims to perform time-of-flight measurements with a few picoseconds precision from fast samplings of detector signals. SAMPIC timing capabilities have been tested using Gaussian signals generated by a signal generator or by silicon detectors pulsed with an infrared laser. Under these ideal conditions, the SAMPIC chip has proven to be capable of timing resolutions down to 4 (40) ps with synthesized (silicon detector) signals.

Le sujet principal de cette thèse porte sur la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse à travers sa désintégration en une paire de bosons de jauge Z (H → ZZ(*)) en utilisant les données enregistrées avec l’expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Quatre analyses distinctes sont présentées en fonction du mode de désintégration du boson Z soit une paire de leptons chargés (électrons ou muons), soit une paire de neutrinos soit une paire de quarks ; ces analyses sont appelés ZZ → 4l, 2l2ν, 2l2q et 2ν2q. L’étude utilise 20.3 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton enregistrées au cours de la première phase du LHC (Run-1) à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La stratégie de recherche segmente les données en supposant que les mécanismes de production de bosons de Higgs additionnel sont les mêmes que dans le Modèle Standard (SM), et modélise le signal avec une largeur qui est faible par rapport à la résolution de la masse invariante. La région de masse du boson de Higgs considéré s’étend de 140 GeV jusqu’à 1 TeV. Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé. La combinaison de résultats de quatre modes de désintégration donne des limites supérieures sur la section efficace σ de ce boson de Higgs additionnel (σ × H → ZZ(*)) qui s’étend de 359 fb à mH = 200 GeV à 11 fb à mH = 1TeV. Les résultats sont également interprétés dans le contexte des modèles au-delà du SM, à savoir les modèles à deux doublets. L’analyse H → ZZ(*) → 4l est également réalisée au cours de la deuxième phase du LHC (Run-2) en utilisant 3.2 fb⁻¹ de données de collisions de proton-proton enregistrées en 2015 à une énergie à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Aucun excès significatif d’évènements sur la prédiction du MS n’est trouvé. Les limites supérieures sur la section efficace (σ × H → ZZ(*) → 4l) sont de 4.5 fb à mH = 200 GeV et 1 fb à mH = 1 TeV. La dernière partie de la thèse porte sur la caractérisation des détecteurs à scintillation d’ATLAS pour le déclenchement d’un biais minimal dans la région avant (le Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS)) en utilisant les rayons cosmiques. En raison de la dégradation des matériaux provoquée par des dommages dus à l’irradiation dans la première phase de fonctionnement du LHC, les MBTS devaient être remplacés lors de l’arrêt du LHC qui a eu lieu en 2014. Avant leur installation dans ATLAS, ces détecteurs ont été caractérisés en laboratoire en utilisant les rayons cosmiques. / The main subject of this thesis is the search for an additional heavy Higgs boson through its decay into a pair of Z bosons (H → ZZ(*)) using data recorded with the ATLAS experiment installed at the Large Hadron Collider (LHC). Four distinct analyses are presented, which are distinguished by the decay mode of the Z boson into either a pair of charged leptons (electrons or muons), into a pair of neutrinos or into a pair of quarks, denoted according to final-state, i.e. as 4l, 2l2ν, 2l2q and 2ν2q. The study is performed using 20.3 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the first phase of LHC operation (Run-1) at centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. A search strategy is employed which segments the data according to the Higgs boson production mechanism, assuming that these are the same as in the Standard Model (SM). Furthermore, the signal is modelled with a width that is small compared to the experimental mass resolution. The Higgs boson mass range considered extends up to 1 TeV for all four decay modes and down to as low as 140 GeV, depending on the decay mode. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. A simultaneous fit to the four decay modes yields upper limits on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ branching ratio ranging from 359 fb at mH = 200 GeV to 11 fb at mH = 1 TeV for the gluon-fusion production mechanism, and from 214 fb at mH = 200 GeV to 13 fb at mH = 1 TeV for the vector-boson fusion production mechanism. The results from these four searches are also interpreted in the context of models beyond the SM, namely the Type-1 and Type-2 2 Higgs Doublet Model. The heavy Higgs boson search is also performed with the H → ZZ(*) → 4l decay mode alone using 3.2 fb⁻¹ of proton-proton collision data recorded during the second phase of LHC operation (Run-2) at an increased centre-of- mass energy of √s = 13 TeV. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. Upper limits are set on the heavy Higgs boson production cross-section times H → ZZ(*) → 4l branching ratio of 4.5 fb at mH = 200 GeV and 1 fb at mH = 1 TeV. Lastly, a project of a more technical character is presented. In this study, the scintillation detectors employed by ATLAS for triggering with minimal bias in the forward region, the Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS), are characterised. Due to material degradation caused by radiation damage in the early phases of LHC operation, the MBTS had to be replaced during the LHC shutdown taking place in 2014. Before installation in ATLAS, these detectors were characterised in appropriate laboratory facilities using cosmic radiation.