Le but de cette thèse est d'évaluer le potentiel de découverte par le détecteur ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) du boson de Higgs du modèle standard. Le mode de production etudié est défini par la fusion de bosons vecteurs (VBF) suivie de la désintégration en une paire de leptons τ (H → τ ^+ τ ^−). C'est l'un des canaux de découverte les plus prometteurs pour un boson de Higgs de basse masse, qui est favorisé par les mesures de précision dans le secteur électro-faible. Deux modes de désintégration ont été étudiés: celui où les deux leptons τ se d´esintègrent en lepton et celui où un lepton τ se désintègre en lepton et l'autre en hadron. La topologie caractéristique de fusion de bosons vecteurs, qui est constituée des deux jets vers l'avant du détecteur et des produits de désintégration de boson de Higgs dans la région centrale, fournit une signature unique permettant la suppression du bruit de fond. En outre, puisque la fusion des bosons vecteurs est un processus purement électro-faible, aucune activité de QCD n'est prévue et donc aucun jet central n'est attendu pour des événements de signal. Ceci permet l'application de la coupure de “central jet veto” pour encore réduire le bruit de fond. Une analyse basée sur des coupures a été utilisée, se concentrant sur l'optimisation de la coupure de “central jet veto”. L'objectif principal était d'étudier le potentiel de découverte du boson de Higgs avec ATLAS, sous une luminosité intégrée de 30 fb^−1 dans la gamme de masse 115 GeV≤ m_H ≤140 GeV, pour une énergie au centre de la masse √s=14 TeV. Après l'application des coupures, un excès au-dessus de 5σ de signal significance a été trouvé pour la gamme de masse 115 GeV ≤ m_H ≤125 GeV. Dans le canal de désintégration H → τ^ + τ ^ −, la résolution de l'énergie transverse manquante ( E_T ) est importante puisqu'elle affecte directement la résolution sur la masse du boson de Higgs. Cela a été la motivation initiale pour réaliser et présenter dans cette thèse une étude de “commissioning” calorimétrique basé sur les quantités E_T , plus particulièrement sur la contribution du bruit de l'électronique, mesurée dans des événements cosmiques enregistrés pendant l'automne 2008. Un comportement gaussien de bruit dans tous les calorimètres de l'argon liquide a été trouvé, tandis qu'un comportement non-gaussien dans une partie du calorimètre à tuile scintillante a été observé. Pour ce dernier, un nouveau modèle de bruit a été examiné utilisant une paramétrisation de double gaussienne ayant pour résultat une description plus réaliste. En conclusion, cette analyse a fourni un outil de “commissioning” du calorimètre, qui a permis l'observation et la correction de plusieurs effets dans le comportement des calorimètres d'ATLAS.

Les collisions de particules à très hautes énergies sont un moyen de sonder la matière au niveau de ses composants les plus élémentaires : les partons (quarks et gluons). Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes produisent dans le même événement le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP) et des interactions élémentaires de type parton-parton. Ces interactions, appelés processus durs, proviennent de l'état initial et produisent des partons de hautes impulsions transverses qui vont fragmenter en hadrons détectables (jets). Avant la fragmentation, les partons sont susceptibles d'interagir avec le QGP, modifiant les propriétés des hadrons produits. L'étude des processus dur sera d'un grand intérêt au LHC. La section efficace de production de jet est calculable en pQCD, en se basant sur l'hypothèse de factorisation. EPOS est un générateur d'événements dont l'objectif est de reproduire des événements directement comparables à l'expérience en décrivant aussi bien les aspects durs que les aspects mous (QGP) dans un modèle cohérent. Dans cette thèse, je détaillerai les motivations pour produire des processus durs dans un événement complet. La partie dure devant être compatible avec la pQCD. Ainsi, comme dans l'expérience la production d'un processus rare nécessite beaucoup de statistique. Je présenterais alors une méthode de coupure sur les hautes impulsions transverses permettant de produire facilement des jets de haute impulsion transverse dans le contexte des aspects mous.

Apres une quinzaine d'annees de developpement, le detecteur Atlas est operationnel. Fin 2008, il enregistra plusieurs millions d'´evenements cosmiques ainsi les premieres donnees à un faisceau LHC. Cette reussite est le resultat d'une longue strategie de tests sous faisceau et des efforts menes par la collaboration lors de la mise en service dans la caverne du detecteur. Une exploitation rapide et fiable des premieres donnees pour la recherche du boson de Higgs et de nouvelle physique est donc attendue. J'ai contribue significativement à la mise en service du calorim`etre ´electromagn´etique (EM). Je me suis interesse à l'´etude de la reponse de ce sous d´etecteur aux muons cosmiques. Ces premieres donnees ont permis de rechercher des canaux morts, de tester la reconstruction de l'´energie ainsi que l'uniformite spatiale de la reponse du detecteur. Ma participation à cette mise en service s'est poursuivie par l'´etude des donnees acquises à l'aide d'un seul faisceau lors du demarrage du LHC (Sept. 2008). L'expertise du calorimetre EM acquise m'a ensuite permis d'etudier l'impact de la qualite des premieres donnees du LHC sur le potentiel de decouverte d'un Z' --> e+e-. Les limites induites par de possibles problemes hardware ou d'etalonnage en énergie ont été estinees. Etant donne le nouvel agenda du LHC, cette analyse sera possible avec les collisions pp à 10 TeV de 2010.

Le programme de physique de l'expérience ATLAS auprès de l'accélérateur LHC au CERN couvre un vaste domaine allant de la physique du Modèle Standard, avec la recherche d'un boson de Higgs, à la recherche de nouvelle physique (comme la recherche de super-symétrie ou de dimensions supplémentaires). Cette thèse s'oriente selon deux axes principaux. Elle présente premièrement des études liées à l'électronique de calibration et d'acquisition des signaux issus du calorimètre électromagnétique à argon liquide du détecteur ATLAS. Deuxièmement, elle présente des études menées dans le cadre de la recherche d'un boson de Higgs du Modèle Standard dans sa désintégration en deux photons : l'un des canaux de recherche les plus importants dans la région de basse masse favorisée par des mesures de précision et des prédictions théoriques. Ces études portent en particulier sur la reconstruction et l'utilisation des photons convertis en paires électron-positron dans le but d'améliorer le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal de désintégration. D'autres aspects liés à la validation du code de simulation rapide du détecteur ATLAS y sont également décrits, concernant ses performances sur la simulation et la reconstruction des photons convertis et non-convertis mais aussi sur le signal de physique $H\to\gamma\gamma$.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la préparation Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la préparation du détecteur CMS auprès du futur collisionneur LHC au CERN dont la mise en service est prévue pour les années 2004-2005. Le travail est divisé en deux parties. La première comprend une étude générale sur l'identification des électrons de faible énergie en utilisant la très fine granularité et la très bonne résolution en énergie du calorimètre électromagnétique de CMS. L'efficacité de l'algorithme est de $\sim$ 60% et le facteur de réjection des hadrons est de $\sim$400. Les électrons ainsi identifiés peuvent être utilisés comme des particules d'étiquetage pour les mésons beaux ou pour reconstruire les décroissances inclusives $B^0_d -> J/\Psi(->e+e-) +X$. La réévaluation de la sensibilité aux angles $\alpha$ et $\beta$ du triangle CKM d'unitarité avec ces nouvelles possibilités et des fonctions de structure du proton récentes donne: $\delta$(sin 2$\alpha$) = 0.06$^{+0.018}_{-0.014} $ $\delta$(sin 2$\beta$) = 0.053$^{+0.017}_{-0.012}$ Ces résultats sont comparables avec ceux attendus par les expériences dédiées à la physique du B. La deuxième partie a consisté à développer un nouveau type de chambres gazeuses à micropistes (MGC) où les anodes sont séparées d'un plan cathode par une couche isolante de quelques microns. Cette géométrie permet une collection rapide des charges ($\sim$10ns), d'atteindre des gains supérieurs à 3000 et d'avoir une résolution en énergie de 20 % pour le pic d'une source de 55Fe.

L'électronique frontale (VFE) traitant les signaux des photodétecteurs du calorimètre électromagnétique de l'expérience CMS a été soumise à un programme étendu de tests pour garantir leur fonctionnalité et fiabilité. Le système de calibration et de caractérisation précise des ~16000 VFE a été développé et utilisé à IPN Lyon pour contrôler leur qualité et mesurer les constantes de calibration qui serviront au démarrage du calorimètre complet. <br />En outre, l'évaluation et l'optimisation précises des performances de l'électronique de lecture ont été obtenues avec des données réelles au cours de tests sur des faisceaux de particules au CERN. <br />Les résultats obtenus sur bancs de tests en laboratoire ou en faisceau confirment l'excellente qualité de la production des cartes électroniques et prouvent que les spécifications du calorimètre ont été atteintes.

La première partie de cette thèse porte sur l'intégration d'un bouchon du trajectographe au silicium de l'expérience CMS. Les procédures mises en œuvre et les tests qui ont permis d'aboutir à la qualification du système de détection sont présentés dans ce document.<br />La deuxième partie est dédiée à la recherche de nouvelle physique dans le secteur du quark top. Une des voies les plus prometteuses consiste à rechercher une résonance dans la distribution en masse invariante des paires de quarks top. Une analyse réalisée en simulation complète dans le canal lepton+jets montre qu'à l'échelle du TeV, des processus de quelques centaines de fb à 1 pb pourraient être observés lors des premières années de prises de données.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes au LHC devraient permettre de former le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Les photons, insensibles à l'interaction forte qui domine ce milieu sont une sonde intéressante pour l'étude du PQG. Les gamma-jets sont des processus durs et rares où un photon et un parton sont émis dos à dos. Le parton hadronise en une gerbe de particules appelée jet. Ces jets sont atténués (jet quenching) par interaction forte du parton avec le PQG. La perte d'énergie, ou plus exactement la redistribution de l'énergie du jet, est mesurable par la modification de la distribution de l'énergie des particules appartenant au jet entre les collisions p-p et Pb-Pb (fonction de fragmentation ou distribution en « hump-backed plateau »). Cette mesure nécessite l'énergie initiale du jet, ce que les gamma-jets permettent d'obtenir de façon précise.<br />Notre travail consiste à utiliser le calorimètre EMCal pour détecter un photon en corrélation avec un jet reconstruit dans la partie centrale d'ALICE, puis à comparer ces distributions en énergie pour des collisions p-p et Pb-Pb.<br />Dans un premier temps, la physique des gamma-jets est abordée, puis nous présentons l'identification des particules dans EMCal afin de reconnaître un photon direct, c'est-à-dire un photon émis en corrélation avec un jet. Ensuite, des méthodes d'identification et de reconstruction du jet sont développées pour pouvoir déterminer les distributions de « hump-backed plateau ». Enfin ces techniques sont testées afin d'évaluer les capacités d'ALICE et notamment d'EMCal pour étudier les gamma-jets au LHC et d'apprécier la sensibilité de cette sonde pour explorer le PQG.

Dans ce travail, les potentialités du détecteur ATLAS pour l'identification des jets issus de quark beau sont étudiées. L'étiquetage topologique, basé sur le paramètre d'impact des traces chargées, est utilisé. Une bonne identification de ces jets sera très précieuse au LHC, en particulier durant les premières années de fonctionnement pour mettre en évidence le cas échéant un boson de Higgs d'une masse comprise entre 80 GeV/c2 et 120 GeV/c2. Pour évaluer les performances dans ce domaine, un algorithme de recherche et reconstruction des traces chargées exploitant la simulation détaillée du détecteur interne d'ATLAS a été réalisé. La recherche est initiée dans les détecteurs à pixels. L'efficacité et la qualité de reconstruction assurent une bonne discrimination entre les jets b et les autres jets. Après simulation complète et reconstruction d'événements H->bbbar, H->gg, H->uubar, H->ssbar et H->ccbar (mH = 100 GeV/c2), les réjections moyennes des jets non-b pour une efficacité d'étiqueter les jets b de 50% sont: Rg = 39+-5 Ru = 60+-9 Rs = 38+-5 Rc = 9+-1 Les résultats de l'analyse des données prises lors de tests en faisceau des premiers prototypes de matrices de détecteurs à pixels en technologie résistante aux radiations justifient les potentialités de ce type de détecteur pour la recherche de traces et la mesure précise de leur paramètre d'impact.

L'un des principaux objectifs de l'experience ATLAS est la recherche de la derniere particule manquante du modele standard, le boson de Higgs, et l'etude de ses proprietes. Cette experience sera placee aupres du futur collisionneur de protons LHC, dont le demarrage est prevu pour l'annee 2007 au CERN. Les travaux presentes dans cette these sont dedies a la recherche d'un boson de Higgs de masse inferieure a 200 GeV/c2, dans le canal de production associee pp->ttH. L'identification des jets contenant des hadrons beaux est fondamentale pour l'etude du boson de Higgs et du quark top. Les performances d'etiquetage des jets b sont etudiees en details dans le canal ttH, H->bb, et pour des conditions de fonctionnement tres proches de celles attendues au demarrage des prises de donnees, (detecteur a pixels incomplet, bruit d'empilement et inefficacites de detection). Pour une efficacite d'identifcation de jets b de 60%, les taux de rejet attendus sont de 80% pour les jets legers et 7% pour les jets c. Si la decouverte du boson de Higgs dans ATLAS semble relativement aisee, la mesure de ses parametres, et en particulier la determination des couplages aux differents fermions, est beaucoup plus delicate. Une etude de faisabilite est proposee pour un nouveau canal, ttH, H->WW(*). Ce canal est le seul qui permet une determination directe du couplage de Yukawa du quark top dans l'intervalle de masse 130-200 GeV/c2. Pour un boson de Higgs de 160 GeV/c2, la precision statistique attendue apres trois annees de prise de donnees a haute luminosite est de 7 %.