Le détecteur ATLAS, auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), est un détecteur polyvalent destiné à la découverte de nouvelle physique et de phénomènes nouveaux, tout en fournissant également une bonne occasion de comprendre le comportement à haute 'énergie du Modèle Standard (MS), cadre théorique bien établi qui d'écrit les particules élémentaires et leurs interactions sauf la gravité. Le LHC est le plus grand accélérateur de particule au monde conçu pour fournir des collisions frontales proton-proton 'a l'énergie encore jamais obtenue de 14 TeV dans le centre de masse pour une luminosité crée de 1034 cm−2s−1. Le LHC fonctionne aussi en mode ion lourd avec des collisions de noyaux de plomb d'une énergie de 574 TeV (92.0 J) par nucléon (2.76 TeV par paire de nucléon) et une luminosité de 1027 cm−2s−1. Le LHC et ATLAS fonctionnent superbement bien depuis 2008. En 2011, l'expérience ATLAS a recueillie 4.7 fb−1 de données de collision pp 'a 7 TeV et prévois d'enregistrer encore 25 fb−1 de donn'ees 'a 8 TeV d'ici la fin de l'année 2012. Cette thèse présente le mesure des sections efficaces de production W+W− MS et la détermination des couplages triples (TGCs) correspondants en utilisant ces 4.7 fb−1 de données 2011 de collision pp. Ces mesures permettent un test contraignant du secteur électrofaible non abélien SU(2) × U(1) du Modèle Standard; donnent l'opportunité de sonder la nouvelle physique 'a travers les couplages triples anormaux de bosons de jauge (aTGCs) qui seront observés dans la distribution des variables cinématiques des W+W− produits ou de leurs produits de d'désintégration finaux dans le secteur de haute énergie; et permettent d'avoir une bonne compréhension du bruit de fond irréductible dans la recherche du boson de Higgs dans le canal de d'désintégration H ! W+W−. Ces mesures de la production W+W− sont basées sur l'analyse des canaux de désintégration purement leptoniques avec les états finals e e , e μ and μ μ . Les principaux bruits de fond au signal W+W− sont Z+jets, W+jets, top et les autres productions dibosoniques que sont, WZ, ZZ et W/Z+ . Les bruits de fond Z+jets, W+jets et top sont estimés en utilisant des techniques dédiées et orientées données tandis que les bruits des autres canaux di-bosoniques sont estimés à partir de simulation Montevi Carlo. Un total de 1325 candidats sont sélectionnés avec un bruit de fond total estimé à 368.5 ± 60.9. La section efficace correspondante mesurée est 51.9 ±2.0 (stat) ±3.9 (syst) ±0.9 (lumi) pb. Ce résultat est compatible avec la prédiction Next-to-Leading Order (NLO) du Modèle Standard de 44.7+2.1 −1.9 pb et surpasse la précision des résultats des expériences auprès de l'accélérateur Tevatron. Les sections efficaces fiducies de chaque canal sont également mesurées et une première distribution différentielle en impulsion transverse du lepton dominant est extraite. Finalement, les TGCs des vertex WWZ etWW sont explorés en comparant le spectre en impulsion transverse observé dans le signal W+W− pour le lepton dominant aux prédictions théoriques incluant les couplages triples anormaux. Pour une coupure = 6 TeV, une limite de confiance à 95% est donnée sur kZ et Z dans les intervalles [−0.061, 0.093] et [−0.062, 0.065], respectivement (Equal Coupling Scenario). Ces limites sont plus strictes que celles données par les expériences auprès de l'accélérateur Tevatron et compétitives avec celles données par les expériences auprès de l'accélérateur LEP. Ce travail de thèse donne un base solide pour les mesures à venir de la production W+W− avec les 25 fb−1 de luminosité intégrée de données 'a 8 TeV prévue pour la fin 2012, qui conduiront vers une amélioration de la pr'ecision et des limites plus strictes sur les aTGCs.

The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb-Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.

Ce document de thèse décrit la recherche des désintégrations en trois corps des mésons beaux neutres qui contiennent un KS ou un pi 0 dans l'état final. Ces événements sont reconstruits au moyen du spectromètre LHCb installé auprès du collisionneur proton-proton LHC, sis au Cern à Genève. La phénoménologie des ces modes est riche et couvre la possibilité de mesurer tous les angles du triangle d'Unitarité de la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui décrit les amplitudes de transition par courant chargé faible entre quarks. Une illustration portant sur la mesure de l'angle gamma est développée dans ce document plus en détail. L'accélérateur LHC et les éléments utiles du spectromètre LHCb sont rapportés en mettant l'accent sur le travail conduit au cours de cette thèse sur l'étalonnage et l'alignement du détecteur de pieds de gerbe du calorimètre électromagnétique. Nous avons construit une méthode de calibration du détecteur au moyen de particules qui le traversent au minimum d'ionisation. Les résultats et les performances de ces calibrations sont discutées. Une méthode de discrimination des pi 0 et des photons de haute énergie est présentée, bénéficiant des mesures des caractéristiques des cascades électromagnétiques dans le PreShower et le calorimètre. Ces informations sont combinées dans une analyse multivariable. La stratégie de contrôle des performances du discriminateur directement à partir des données est discutée et cet outil est appliqué à la recherche des états finals B to hh pi 0. Une recherche similaire des modes de désintégration B{d,s} to KShh, où h peut être un pion ou un kaon chargé a été conduite. Ce mode de désintégration permet de mesurer la phase faible du mélange des mésons Bd ou Bs et la comparaison de ces déterminations avec celles extraites des modes charmonia peut permettre de mettre en évidence une phase faible au-delà du Modèle Standard dans l'amplitude de désintégration. La première étape de cette analyse consiste à établir les signaux des modes non encore observés B{s} to KShh. Ce travail exploratoire présente la première observation du mode B{s} to KSK pi.

Le monde de l'infiniment petit est le domaine d'étude de la physique des articules. Cette physique s'attache à décrire de façon cohérente la nature et le comportement des particules élémentaires qui constituent la matière. Les accélérateurs (collisionneurs) de particules permettent de repousser toujours plus avant les connaissances dans ce domaine en produisant des particules, inobservables autrement, par le biais de collisions à très haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans cet axe de recherche et s'intéresse à l'étude du quark top qui est la dernière brique de matière découverte et la plus lourde particule élémentaire connue. La propriété étudiée, l'asymétrie de charge des paires de quark top-antitop, a suscité un vif intérêt par le passé (2011) au sein de la communauté du fait de mesures réalisées auprès du collisionneur Tevatron. Ces mesures ont dévoilé des déviations importantes par rapport aux prédictions réalisées dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. De nouvelles mesures de l'asymétrie de charge réalisées au Tevatron (auprès du détecteur D0) et au LHC (auprès du détecteur ATLAS) sont présentées dans cette thèse.

Cette thèse présente une étude de la sensibilité à la physique au delà du modèle standard et en particulier aux couplages anormaux entre les photons et les bosons W. Ceci est réalisé en détectant dans ATLAS les protons intacts après interaction et en mesurant leur temps de vol avec une précision de quelques pico-secondes de part et d'autre du détecteur central.Je décrirai également les photo-détecteurs de grande superficie avec une précision de quelques pico-secondes et les algorithmes de reconstruction de temps basés sur l'échantillonnage rapide du signal. Le circuit intégré spécifique SamPic pour une mesure de temps de très haute précision sera enfin présenté ainsi que les premiers résultats de mesure avec ce circuit. Ils montrent en particulier une précision exceptionnelle, meilleure que 5 ps, sur la mesure de temps entre deux impulsions.

One of the dominant backgrounds in new physics searches at the Large Hadron Collider comes from the leptonic decays of Standard Model W and Z bosons recoiling off jets associated with the underlying event. The ratio of the W+jets and Z+jets cross sections, Rn, is predicted with high precision due to the similar masses and production mechanisms of the W and Z bosons. Any significant departures of Rn from predicted values would be an indication of new physics. This thesis studies a strategy to enhance the sensitivity of Rn to a specific type of signal. A measurement of the ratio Rn is presented, and its sensitivity to pair production of top quarks and leptoquarks is studied. Using a set of topology-discriminating variables, based upon calorimeter topoclusters, the sensitivity of Rn to top quark and leptoquark signals is enhanced using multivariate analysis techniques. / Graduate

After a long history of searches, a Higgs boson H was discovered by the ATLAS and the CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012. Its properties fit well the ones predicted by the Standard Model (SM) of particle physics. However, the SM can not explain other established properties of Nature, such as the existence of Dark Matter. For this reason, models beyond the SM should be considered. Such models often predict the existence of several Higgs bosons and this thesis explores some of those models. In particular, the possibility to discover a charged Higgs boson, which would be a clear sign of physics beyond the SM, is studied. A commonly studied extension of the SM is the framework of two-Higgs-doublet models (2HDMs), where there are five Higgs bosons. By confronting the parameter spaces of some 2HDMs with publically available data from the LHC, the prospects for finding the 2HDM Higgs bosons is presented through the calculation of production cross sections and decay branching ratios in various channels. A new kind of 2HDM, called the Stealth Doublet Model is presented and the properties of the Higgs bosons are studied. In this model, it is shown that in particular the properties of the charged Higgs boson H± have new features not exhibited in earlier studied models. Within the parameter space compatible with the LHC results, the production cross section for H± can be sizeable enough to be experimentally observed. Finally, the discovery prospects at the LHC, for a H± in the pp → tH± process, with the decays H± → HW± and H → bb, is studied in various models beyond the Standard Model. It is shown that for the supersymmetric models, this channel is beyond the discovery reach of the LHC. In some of the other studied models, in particular the Aligned 2HDM, the situation is improved and the channel is feasible.

With the start of the age of the Large Hadron Collider (LHC) two challenges face theoreticians and computational physicists. The first is about understanding theories beyond the Standard Model and producing verifiable predictions that can be tested against what the LHC and subsequent machines would produce. The second is to improve computational methods so that the new experimental precision is matched by a theoretical one. But this improvement is also crucial for the detection of potential deviations from Standard Model predictions and possibly also finding the elusive Higgs. This work tries to address problems in both areas. In the first part we study the effects of adding tension in considering a black-hole on a brane. Such black-holes are predicted by some models as potential phenomena at the LHC. We calculate the effects of adding tension on observable quantities of black-holes, namely, quasinormal mode frequencies and Hawking radiation, and we show how this improves predictions. In the second part we investigate the computational problem of extending the Britto-Cachazo-Feng-Witten (BCFW) method to 1-loop level. The BCFW has been successfully used in recent years to compute scattering amplitudes at tree-level by suitably complex-shifting external momenta and reducing diagrams to simpler ones. In our investigation we establish that the BCFW can be extended to 1-loop, which means that 1-loop integrands can be treated as trees and can be broken down further into even simpler trees using the BCFW. We explicitly look at the effects of the shift for the lowest three n-point cases, but also demonstrate how the result extends to arbitrary n.

This thesis presents three searches for new resonances in dijet invariant mass spectra. The spectra are produced using √s = 13 TeV proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector. New dijet resonances are searched for in the mass range 200 GeV to 6.9 TeV in mass. Heavy new resonances, with masses above 1.1 TeV, are targeted by a high mass dijet search. Light new resonances, with masses down to 200 GeV, are searched for in dijet events with an associated high momentum object (a photon or a jet) arising from initial state radiation. The associated object is used to efficiently trigger the recording of low mass dijet events. All of the analyses presented in this thesis search for an excess of events, localised in mass, above a data-derived estimate of the smoothly falling QCD background. In each search no evidence for new resonances is observed, and the data are used to set 95% C.L. limits on the production cross-section times acceptance times branching ratio for model-independent Gaussian resonance shapes, as well as benchmark signals. One particular benchmark signal which is considered in all of the searches is an axial-vector Z' dark matter mediator model whose parameter space is reduced due to the results presented in this thesis.

Ce document de thèse décrit la recherche des désintégrations en trois corps des mésons beaux neutres qui contiennent un KS ou un pi 0 dans l'état final. Ces événements sont reconstruits au moyen du spectromètre LHCb installé auprès du collisionneur proton-proton LHC, sis au Cern à Genève. La phénoménologie des ces modes est riche et couvre la possibilité de mesurer tous les angles du triangle d'Unitarité de la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui décrit les amplitudes de transition par courant chargé faible entre quarks. Une illustration portant sur la mesure de l'angle gamma est développée dans ce document plus en détail. L'accélérateur LHC et les éléments utiles du spectromètre LHCb sont rapportés en mettant l'accent sur le travail conduit au cours de cette thèse sur l'étalonnage et l'alignement du détecteur de pieds de gerbe du calorimètre électromagnétique. Nous avons construit une méthode de calibration du détecteur au moyen de particules qui le traversent au minimum d'ionisation. Les résultats et les performances de ces calibrations sont discutées. Une méthode de discrimination des pi 0 et des photons de haute énergie est présentée, bénéficiant des mesures des caractéristiques des cascades électromagnétiques dans le PreShower et le calorimètre. Ces informations sont combinées dans une analyse multivariable. La stratégie de contrôle des performances du discriminateur directement à partir des données est discutée et cet outil est appliqué à la recherche des états finals B to hh pi 0. Une recherche similaire des modes de désintégration B{d,s} to KShh, où h peut être un pion ou un kaon chargé a été conduite. Ce mode de désintégration permet de mesurer la phase faible du mélange des mésons Bd ou Bs et la comparaison de ces déterminations avec celles extraites des modes charmonia peut permettre de mettre en évidence une phase faible au-delà du Modèle Standard dans l'amplitude de désintégration. La première étape de cette analyse consiste à établir les signaux des modes non encore observés B{s} to KShh. Ce travail exploratoire présente la première observation du mode B{s} to KSK pi. / This thesis describes an exploratory work on three-body charmless neutral $B$ mesons decays containing either a $K_S$ or a $\pi^0$. The events are reconstructed with the LHCb spectrometer installed at Cern (Geneva, CH) recording the proton-proton collisions delivered by the Large Hadron Collider (LHC). The phenomenology of such modes is rich and covers the possibility to measure all angles of the unitarity triangle linked to the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix. The single example of the $\gamma$ measurement is explored in this document. The LHC accelerator and the most relevant sub-detector elements of the LHCb spectrometer are described in details. In particular, emphasis is given to the calorimetry system for which the calibration and alignment of the PreShower (PRS) of the electromagnetic calorimeter has been performed. We used particles at minimum ionisation deposit for such a task. The calibration results until year 2011 are reported as well as the method of the PS alignment with respect to the tracking system of the spectrometer. A method to discriminate high energy $\pi^0$ and photon is introduced, based on electromagnetic cascade information combined into a multivariate analysis. The strategy to evaluate the performance is given and the tool is applied to the exploratory search of $B \to hh\pi^0$ final states. Additionally, we conducted a similar search for the modes $B_{d,s} \to K_Shh$, where $h$ can be either a charged kaon or a pion. The physics reach of such modes lies in the possibility of measuring the $\beta$ and $\beta_s$ CKM angles to be compared to their charmonia extraction. Differences in between these two determinations can be the sign of New Physics. The first step of this search is to establish the unobserved modes $B_{s} \to K_Shh$. We report in a fifth of the data 2011 statistics the first observation of the decay channel $B_{s} \to K_SK\pi$.