Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

L'utilisation optimale, dans des applications spécifiques, des Détecteurs Silicium nécessite une connaissance approfondie des phénomènes physiques sous-jacents. Dans ce mémoire, cette idée conductrice est appliquée à deux types de détecteurs : (1) les SiPM et leurs applications en imagerie médicale (2) les détecteurs à pixels planaires (PPS) et leurs applications dans la mise-à-jour du détecteur interne d'ATLAS pour le LHC à haute luminosité. Mon travail personnel sur les SiPM a débuté il y a environ 10 ans. Ainsi la partie (A) de mon HDR rappelle tout d'abord le principe physique de la photodiode à avalanche en mode Geiger (GM-APD), qui constitue la cellule élémentaire d'un SiPM. Puis le fonctionnement du SiPM est développé, avec ses principales caractéristiques physiques, ainsi que les montages expérimentaux mis en œuvre et les mesures de ces paramètres sur les productions des principaux fabricants. La dépendance en température des paramètres des SiPM constitue un inconvénient majeur dans certaines applications, aussi mon travail personnel montre comment on peut en grande partie s'affranchir de cette dépendance, en contrôlant certains paramètres de fonctionnement. Les détecteurs à SiPM présentent des avantages très intéressants au plan électrique, optique, mécanique, etc ..., permettant des applications multiples dans des domaines où une grande surface de détection est requise. Ainsi, les matrices de SiPM sont des composants très attractifs pour des applications d'imagerie médicale. Mon travail dans deux applications de ce type est détaillé : PET à haute résolution pour des petits animaux, et détecteur de radiation portatif pour l'aide à la localisation in situ de tumeurs solides. En parallèle à l'activité SiPM, j'ai été impliquée ces dernières années dans la conception et la caractérisation de nouveaux détecteurs à pixel planaires pour "l'upgrade" de l'expérience ATLAS. La partie (B) de mon HDR expose ainsi les méthodes expérimentales, comme "Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)" et "Spreading Resistance Profiling" (SRP), utilisées pour la mesure de profils de dopage pour le détecteurs PPS. Je démontre ainsi l'importance de ces mesures pour le contrôle du process de fabrication, et la calibration des simulations TCAD (Technology-Computed Aided Design). Les résultats des simulations prévoyant le comportement des nouveaux détecteurs planaires proposés, avec des caractéristiques géométriques et une résistance aux radiations améliorées, sont présentés.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.

Le grand collisionneur d'hadrons (LHC) a commencé les opérations de faisceau de protons le 10 septembre 2008. Respectant le programme prévu pour les prochaines années, le LHC devrait démontrer ou réfuter l'existence du boson de Higgs de façon réaliste d'ici 2014. Après cette date il est raisonnable de prévoir l'amélioration de la luminosité de la machine pour explorer en détail la physique des événements rares.<br />Le présent travail de thèse propose différentes idées pour augmenter la luminosité des expériences ATLAS et CMS, les deux principales expériences du programme scientifique du LHC. Une idée pour l'amélioration de l'acceptance de l'expérience TOTEM est aussi présentée. <br />L'ensemble des aimants qui réalisent la focalisation finale du faisceau avant la collision ont été pris en considération pour augmenter la luminosité dans les zones expérimentales. Les nouvelles configurations ont été étudiées en utilisant des méthodes d'optique des accélérateurs et de dynamique des faisceaux. L'intégration des solutions a été aussi explorée en analysant les énergies déposées dans les différents éléments et les tolérances des alignements. <br />Un nouveau schéma optique pour augmenter l'acceptance de l'expérience TOTEM utilisant les cristaux de silicium est aussi présenté. Les résultats attendus sont comparés avec les résultats actuels.<br />Les études ont été menées en utilisant des méthodes analytiques pour les considérations générales et des méthodes numériques pour l'optimisation des paramètres.<br />Les résultats présentés dans cette thèse ont été publiés et présentés dans différentes conférences et workshops internationaux.

La physique des collisions d'ions lourds (ultra-)relativistes a pour objectif principal l'élaboration de l'équation d'état de la matière nucléaire par l'examen de ses propriétés dans des conditions extrêmes de température et de pression.<br />A basse énergie, les collisions d'ions lourds permettent de sonder la matière nucléaire modérément chaude à grande densité baryonique.<br />A haute énergie, la chromodynamique quantique prédit le déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et de gluons.<br />La première partie de ce document est consacrée à l'étude de la production d'étrangeté dans les collisions d'ions lourds aux énergies du SIS avec le détecteur FOPI installé au GSI.<br />La deuxième partie de ce document est consacrée à l'étude de la production des saveurs lourdes dans les collisions d'ions lourds aux énergies du LHC avec le détecteur ALICE installé au CERN.

Ce mémoire de thèse sera consacré à l'étude de quelques aspects phénoménologiques de la supersymétrie avec, comme principaux sujets, d'une part, la physique du MSSM dans le cas où les superparticules scalaires sont lourdes et les implications possibles auprès de collisionneurs à haute énergie tels que le LHC et, d'autre part, les caractéristiques des particules de matière noire et leurs détermination auprès des collisionneurs et dans des expériences d'astroparticules.

Le détecteur ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules située à un point de collision du LHC, au CERN. Le détecteur est complet et opérationnel depuis juin 2008. La mise en oeuvre du système calorimétrique a alors été possible, grâce notamment à l'étude de la variable "énergie transverse manquante". Cette variable, indispensable aux mesures de précision du Modèle Standard et à la recherche de Nouvelle Physique, a ainsi pu être testée pour la première fois in situ. Le détecteur était prêt et a montré de bonnes performances lors des premières collisions du LHC à la fin de l'année 2009, en particulier avec l'étude de données dites de biais minimum. Avec les données de collisions, il a également été possible d'étudier des performances des électrons, notamment leurs variables d'identification, et la compréhension de la matière avant le calorimètre. Les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse en 2010 ont permis d'étudier les propriétés des bosons W produits lors de ces collisions. Après seulement quelques mois de prise de données, l'on a pu observer et mesurer la section efficace de production de cette particule. L'enjeu principal de cette mesure a été l'estimation des erreurs systématiques dues à l'électron et à l'énergie transverse manquante. Avec toutes les données enregistrées en 2010, l'asymétrie de charge du boson W a également pu être mesurée. Cette mesure est importante pour la détermination des fonctions de distribution de partons dans le proton, données indispensables à la bonne compréhension des collisions hadroniques au LHC.

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4$\ll (\ll= e\ mu)$ a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> $\gamma\gamma$. Un nouvel outil de discrimination $\gamma/\pi^i0$ à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des $\pi^0$ produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus $\gamma$+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus $\gamma\gamma+X$ est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> $\gamma\gamma$ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H $\gamma\gamma$ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus $\gamma\gamma$ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination $\gamma/\pi^0$ sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->$\gamma\gamma$ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé.

In the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, direct searches for the elusive Higgs boson will be conducted, as well as for physics beyond the Standard Model. The charged Higgs boson (H±) is interesting both as a part of the Higgs sector, and as a clear sign of new physics. This thesis focuses on H± searches, with H± production in top-antitop pair events, and in particular the  bW± bH±, H±→τhadν, W±→qq channel. Its potential was investigated  as  part of a larger study of the expected performance of the entire ATLAS experiment. Full simulation of the ATLAS detector and trigger was used, and all dominant systematics considered. It was shown to be the most promising H± discovery channel for mH±&lt;mt. As hadronic τ decays are important for H± searches, their correct identification is critical. Possibilities of improving tau-jet identification in  pile-up and top-antitop pair events were investigated. Redundant or even performance-reducing variables in the default likelihood identification were identified, as were new variables showing discriminatory power. This allows for increased rejection of QCD jets in these environments, and higher robustness of the method. Before any physics studies, a commissioned and well-understood detector is required. The Lorentz angle of the ATLAS Semi-Conductor Tracker (SCT) barrel was measured using 2008 cosmic-ray data. It is an important observable for the performance of several detector aspects. Potential sources of systematics were investigated and evaluated. The Lorentz angle in the SCT barrel was measured as θL = 3.93 ± 0.03(stat) ± 0.10(syst) degrees, agreeing with the model prediction. The Compact Linear Collider (CLIC) is a proposed successor to the LHC. The potential for charged and heavy neutral Higgs bosons at CLIC was investigated, in terms of both discovery and precision measurement of parameters like tanβ or the Higgs masses, up to and beyond 1 TeV, which would be challenging at the LHC

The Standard Model of particle physics successfully describes present collider data. Nevertheless, theoretical and cosmological results call for its extension. A softly broken supersymmetric completion around the TeV scale solves several of the outstanding issues. Supersymmetry requires two Higgs doublets, leading to five physical Higgs states. These include a pair of charged Higgs bosons H±, which are a generic feature of theories with multiple Higgs doublets. Using results from high-energy colliders and flavour physics, constraints are derived on the charged Higgs boson mass and couplings; both for constrained scenarios in the minimal supersymmetric standard model (MSSM) with grand unification, and for general two-Higgs-doublet models. The MSSM results are compared to the projected reach for charged Higgs searches at the Large Hadron Collider (LHC). At the LHC, a light charged Higgs is accessible through top quark decay. Beyond a discovery, it is demonstrated how angular distributions sensitive to top quark spin correlations can be used to determine the structure of the H±tb coupling. The public code 2HDMC, which performs calculations in a general, CP-conserving, two-Higgs-doublet model, is introduced. In parallel to the developments at colliders, the most energetic particles ever recorded are the ultra-high-energy (UHE) cosmic rays. To gain more insight into their origin, new experiments are searching for UHE neutrinos. These searches require detectors of vast volume, which can be achieved by searching for coherent radio pulses arising from the Askaryan effect. The prospects of using a satellite orbiting the Moon to search for neutrino interactions are investigated, and a similar study for an Earth-based radio telescope is presented. In both cases, the method is found competitive for detection of the very highest energy neutrinos considered.