Cette thèse s'inscrit dans le contexte des premières années d'exploitation du Large Hadron Collider (LHC). Cet appareil monumental a été construit dans le but d'explorer la physique de l'infiniment petit à l'échelle du TeV. Un des objectifs majeurs du LHC est la recherche du boson de Higgs. Sa découverte validerait le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, au travers duquel les bosons W et Z acquièrent leur masse. L'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) analyse les collisions de protons du LHC. Leur fréquence élevée (20 MHz) permet d'observer des phénomènes rares, comme la production et la désintégration d'un boson de Higgs, mais elle nécessite alors une sélection rapide des collisions intéressantes, par un système de déclenchement. Les ressources informatiques disponibles pour le stockage et l'analyse des données imposent une limite au taux de déclenchement : la bande passante, répartie entre les différents signaux physiques, doit donc être optimisée. Dans un premier temps, j'ai étudié le déclenchement sur les électrons : ils constituent une signature claire dans l'environnement hadronique intense du LHC et permettent à la fois des mesures de haute précision et la recherche de signaux rares. Ils font partie des états finaux étudiés par un grand nombre d'analyses (Higgs, électrofaible, etc.). Dès les premières collisions en 2010, la présence de signaux anormaux dans l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL) constituait une source d'augmentation incontrôlée du taux de déclenchement. En effet, leur taux de production augmentait avec l'énergie et l'intensité des collisions : ils étaient susceptibles de saturer la bande passante dès 2011, affectant gravement les performances de physique de CMS. J'ai optimisé l'algorithme d'élimination de ces signaux en conservant une excellente efficacité de déclenchement sur les électrons, pour les prises de données en 2011. D'autre part, l'intensité croissante des collisions au LHC fait perdre leur transparence aux cristaux du ECAL, induisant une inefficacité de déclenchement. La mise en place de corrections hebdomadaires de l'étalonnage du système de déclenchement a permis de compenser cette inefficacité. Dans un second temps, j'ai participé à la recherche du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux leptons tau. Cette analyse est la seule qui puisse actuellement vérifier le couplage du boson de Higgs aux leptons. Le lepton tau se désintégrant soit en lepton plus léger (électron ou muon), soit en hadrons, six états finaux sont possibles. Je me suis concentré sur les états finaux semi-leptoniques (électron/muon et hadrons), où la signification statistique du signal est maximale. Les algorithmes de déclenchement dédiés à cette analyse sélectionnent un lepton (électron ou muon) et un " tau hadronique " d'impulsions transverses élevées. Cependant, cette sélection élimine la moitié du signal, ce qui a motivé la mise en place d'algorithmes sélectionnant des leptons de basse impulsion, incluant une coupure sur l'énergie transverse manquante. Celle-ci limite le taux de déclenchement et sélectionne des évènements contenant des neutrinos, caractéristiques des désintégrations du lepton tau. Les distributions de masse invariante des processus de bruit de fond et de signal permettent de quantifier la compatibilité entre les données et la présence ou l'absence du signal. La combinaison de l'ensemble des états finaux conduit à l'observation d'un excès d'évènements sur un large intervalle de masse. Sa signification statistique vaut 3,2 déviations standard à 125 GeV ; la masse du boson mesurée dans ce canal vaut 122 ± 7 GeV. Cette mesure constitue la toute première évidence d'un couplage entre le boson de Higgs et le lepton tau.

Lorsque l'impulsion longitudinale des partons contenus dans un hadron ultra-relativiste diminue, on observe un accroissement de leur densité. Quand la densité approche une valeur d'ordre $1/\alpha_s$, elle n'augmente plus, elle sature. Ces effets de haute densité semblent être correctement décrits par la théorie effective du "Color Glass Condensate". Du point de vue expérimental, le LHC est le meilleur outil jamais disponible pour atteindre la phase saturée de la matière hadronique. Pour cette raison, la physique de la saturation est une branche très active de la QCD dans les années passées et à venir car la théorie et les expériences peuvent être comparées. En premier lieu, je discute de la phénoménologie des collisions proton-plomb qui ont eu lieu à l'hiver 2013 et dont les données sont sur le point d'être disponibles. Je calcule la section efficace pour la production de deux gluons qui est l'observable la plus simple pour trouver des preuves quantitatives de la saturation dans le régime cinématique du LHC. Je traite également la limite des états finaux fortement corrélés à grandes impulsions transverses et, par la même occasion, généralise la distribution de partons au régime dense. Le second sujet principal est l'évolution quantique des spectres de gluons et de quarks dans les collisions noyau-noyau, ayant à l'esprit son caractère universel. Ce résultat est déjà connu pour les gluons et je détaille ici le calcul avec attention. Pour les quarks, l'universalité n'a toujours pas été prouvée mais je dérive une formule de récursion intermédiaire entre l'ordre dominant et l'ordre sous-dominant qui constitue une étape cruciale dans l'extraction de l'évolution quantique. Enfin, je présente brievement un travail indépendant de théorie des groupes. Je détaille une méthode personnelle permettant de calculer des traces impliquant un nombre arbritraire de générateurs, une situation souvent rencontrée dans les calculs de QCD.

Dans cette thèse, mes contributions personnelles à l'expérience ATLAS sont présentées. Elles consistent en des études de performance et des analyses physiques concernant les photons, dans le cadre de la recherche du boson de Higgs. La première partie de cette thèse contient des analyses de performance sur le détecteur. Une étude de performance du système de haute tension du calorimètre électromagnétique (EMCAL) est présentée. Plus précisément, l'effet du aux résistances d'électrodes du EMCAL sur la mesure de l'énergie est investigué, et mesuré négligeable dans la plupart des cas. Par la suite, des études de performance de la reconstruction des photons sont présentées, l'étalonnage standard du EMCAL est validé à l'aide de photons provenant de désintégrations radiatives du boson Z. La deuxième partie de ce document concerne deux analyses de physique, portant sur la recherche du boson de Higgs dans les canaux de désintégration γγ et Zγ. Ma contribution principale à ces analyses fut le développement d'un modèle analytique de résolution du signal, construit pour répondre à la nécessité d'une interpolation de la fonction de densité de probabilité de la masse invariante du signal. Les résultats présentés sur la recherche du boson de Higgs dans le canal en di-photon proviennent de 4,8 fb−1 de données enregistrées à une énergie du centre de masse de √s = 7 TeV et de 5,9 fb−1 'a √s = 8 TeV. Un excès d'événements est observé dans la distribution de masse invariante des paires de photons, aux alentours de 126,5 GeV, avec une significance locale de 4,5 déviations standard. La combinaison de ce résultat avec ceux obtenus dans les recherches du boson de Higgs dans les canaux H → ZZ et H → WW démontre l'existence d'une nouvelle particule a une masse de 126, 0±0, 4(stat.)±0, 4(syst.) GeV. Ce résultat est compatible avec le boson scalaire du modèle standard de la physique de particules. La recherche du boson de Higgs dans le canal Zγ, est effectuée à l'aide de 4, 8 fb−1 de données enregistrées à √s = 7 TeV et de 20, 7 fb−1 à √s = 8 TeV. Aucune déviation significative du bruit de fonds prédict par le modèle standard est observée. Les limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur le produit de la section efficace avec le rapport d'embranchement sont à 18,2 (observé) et à 13,6 (attendu) fois le modèle standard pour une masse de 125 GeV.

After the Higgs boson discovery in the first LHC data, the focus is now on its properties measurement. Among these properties, its couplings are of particular importance since any deviation from the expected value can be an indication of new physics, beyond the Standard Model. This thesis is oriented towards the Higgs couplings measurements with the ATLAS experiment, using the diphoton decay channel. Selected diphoton events are classified into different categories to disentangle the five Higgs production modes by tagging the objects produced in association with the Higgs boson: two jets for the VBF production mode, lepton and missing transverse energy for the higgsstrahlung (WH and ZH), b-jets for ttH, the remaining events being mostly produced via the dominant production mode ggH. The impact of the Higgs pT modelling in the ggH production mode is also investigated. Theoretical developments provide predictions of the pT shape at NNLO+NNLL accuracy, including top and bottom mass effects in the loop up to NLO+NLL, implemented in the HRes program. A reweighting technique to take into account these latest theoretical improvements is derived, taking into consideration the correlation with the number of jets. Its impact on the final measurement is estimated to be of the order of a few percent. The final couplings results, measured at the Higgs mass obtained by the combination of the H->gamma gamma and H->ZZ*->4l channels in ATLAS (mH = 125.4 +/- 0.4 GeV) do not show any statistically significant deviation from the Standard Model. The observed signal strength mu = sigma^{obs} / sigma^{exp} is found to be: mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(theory). The ratio of the observed number of events in each production mode to the expected ones are measured at: mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(theory) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(theory) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(theory) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(theory) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(theory)

On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z' portal.

La production hadronique des Quarkonia est un puzzle de longue date, qui teste la capacité des physiciens des particules à décrire les interactions de couleur. Même si la structure de la chromodynamique quantique (QCD) est bien définie et inspirée par l'électrodynamique quantique (QED), les différences par rapport à cette dernière rendent très difficile la description théorique des propriétés des hadrons.Un grand nombre de modèles et de théories effectives des champs ont été proposés pour décrire la production de quarkonia lourds, mais aucune n'a réussi à prédire, de façon fiable, différentes observables. En particulier, la QCD non relativiste (NRQCD) est arrivée à décrire les sections efficaces des quarkonia au Tevatron, mais a failli pour la prédiction du degré de polarisation du J/psi. Par contre, le modèle singulet de couleur (CSM: Color Singlet Model) présentait des résultats légèrement meilleurs du coté de la polarisation mais avait des problèmes avec la normalisation et la forme des sections efficaces différentielles.Le démarrage du LHC au CERN est une excellente opportunité expérimentale pour résoudre ces problèmes. En effet le saut en énergie, par rapport au Tevatron, permet d'avoir des sections efficaces de quarks lourds bien plus élevées que dans le passé, de plus les performances excellentes des expériences LHC nous permettent de procéder à des analyses difficiles.ALICE est l'expérience du LHC dédiée à l'étude de la matière dense et chaude produite dans les collisions d'ions lourds ultra-relativistes : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Pendant les deux premières années de prises de données, elle a montré des performances excellentes pour la détection des J/psi, aussi bien en collisions PbPb qu'en collisions pp.Dans cette thèse est présenté la mesure de la polarisation de J/psi inclusif, produits dans les collisions pp à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. L'analyse a été effectuée sur presque 80% de la statistique recueillie par le spectromètre à muons d'ALICE en 2010. Elle a été basée sur l'extraction de la distribution angulaire des muons provenant de la désintégration du J/psi.Les résultats obtenus par cette étude représentent la première mesure de la polarisation des quarkonia au LHC et offrent la possibilité de tester les modèles théoriques dans un régime d'énergie plus de trois fois supérieur à celui du Tevatron.Une première comparaison avec les derniers calculs théoriques est également présentée dans cette thèse.

The thesis is devoted to the study of diffractive physics with the ATLAS detector at the LHC. After a short introduction to diffractive physics including soft and hard diffraction, we discuss diffractive exclusive production at the LHC whichis particularly interesting for Higgs and jet production. The QCD mechanism described by the Khoze Martin Ryskin and the CHIDe models are elucidated in detail. The uncertainties on these models are still large and a new possible exclusive jetmeasurement at the LHC will allow to reduce the uncertainty on diffarctive Higgs boson production to a factor 2 to 3. An additional measurement of exclusive pion production pp ! p_+_−p allows to constrain further exclusive model relying on theuse of the ALFA stations, which are used in the ATLAS Experiment for detection of protons scattered in elastic and diffractive interactions. In the last part of the thesis, the AFP detectors, aiming at measuring the protons scattered in diffractive interactions, are presented. They allow to extend substantially the ATLAS physics programme. In particular, the study of the central diffractive W boson production process makes possible a better determination of the nature of diffractive exchanges.

Résumé indisponible

L'expérience ALICE est une des quatre grandes expériences fonctionnant auprès du LHC au CERN et dont le but principal est l'étude du plasma de quarks et de gluons (ou QGP) produit dans les collisions d'ions lourds. Une des observables privilégiées pour sonder le QGP est la production des quarkonia lourds qui doit être modifiée dans les collisions d'ions lourds comparées aux collisions pp. L'intérêt des quarkonia n'est pas limité aux collisions d'ions lourds puisque leur mécanisme de production dans les collisions pp n'est pas encore très bien compris. Le but de ce travail de thèse est l'estimation de la section efficace de production des Υ(nS) en collision pp à une énergie de s = 7 TeV à l'aide du canal de désintégration en dimuon avec le spectromètre à muons de l'expérience ALICE. Le spectromètre à muons dans ALICE est situé à grande rapidité −4 < y < −2.5. Il consiste en un système d'absorbeurs, un dipôle chaud, des stations de trajectographie et de déclenchement. Ce travail de thèse décrit une contribution au logiciel de contrôle en ligne (online monitoring) du système de déclenchement des muons qui a été développé dans un esprit d'efficacité. Une partie des données enregistrées en 2010 a été analysée pour estimer la section efficace de production du Υ. La section efficace de production du J/ψ publiée par ALICE à la même énergie est exploitée par la méthode d'estimation. Le résultat préliminaire obtenu dans l'intervalle en rapidité 2.5 < y < 4 est σΥ(1S) × BΥ(1S)→µ+µ− =0.62 ± 0.38(stat.) ±00..1221 (syst.) nb par unité de rapidité.

L'expérience ALICE auprès du LHC se propose d'étudier le passage de la matière du gaz de hadrons vers l'état de Plasma de Quarks et de Gluons où les partons sont déconfinés. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes présentent en effet la possibilité de créer des conditions de température et de pression extrêmes, nécessaires au déconfinement de la matière. Dans le cadre de cette étude, les collisions élémentaires proton-proton sont d'une importance certaine puisqu'elles constituent une référence hadronique. L'objectif de cette thèse a été de préparer l'étude des mécanismes de production des baryons et mésons étranges dans les collisions proton-proton aux énergies du LHC par la mesure des lambda et K0s avec ALICE. Les particules étranges constituent un outil majeur pour sonder la matière créée. Le comportement du rapport lambda/K0s aux impulsions transverses intermédiaires dans les collisions proton-proton à haute énergie, étudié au travers de différents modèles théoriques, pourrait également signer la présence de phénomènes collectifs, phénomènes jusqu'alors uniquement observés dans les collisions d'ions lourds.