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Le sujet de cette thèse est la recherche du boson de Higgs du Modèle Standard par sa désintégration en quatre leptons avec l’expérience ATLAS au CERN. La théorie qui prédit le boson du Higgs est présentée et les contraintes de la théorie et des recherches directes et indirectes sont citées. L’expérience ATLAS et ses composants sont décrits et le Système de Contrôle du Détecteur pourle fonctionnement et la surveillance des blocs d’alimentation des chambres à tubes de dérive est détaillé. La reconstruction et l’identification des électrons et des muons sont résumées. Des études de performance sur les taux de faux muons, sur l’effet d’empilement sur l’isolation des muons, et sur l’efficacité de l’isolation et du paramètre d’impact des muons sont présentées. L’analyse de la désintégration de Higgs en quatre leptons est détaillée en mettant l’accent sur l’estimation du bruit de fond, les méthodes employées et les régions de contrôle utilisées. Les résultats de la recherche avec les données de 2011 à √s = 7TeV sont présentées, qui ont conduit à l’indication de l’observation du boson de Higgs. L’optimisation réalisée pour la recherche d’un boson de Higgs de basse masse est décrite et l’effet sur les données de 2011 sont présentés. L’analyse est effectuée avec les données de 2011 à √s = 8TeV collectées jusqu’au juillet et les résultats sont présentés, incluant la combinaison avec les données de 2011. Ces derniers résultats ont conduit à l’observation d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs du Modèle Standard. / The subject of this thesis is the search for the Standard Model Higgs boson through its decay into four leptons with the ATLAS experiment at CERN. The theory postulating the Higgs boson is presented and the constraints of the theory and direct and indirect searches are quoted. The ATLAS experiment and its components are described and the Detector Control System for the operation and monitoring of the power supplies of the Monitored Drift Tubes is detailed. The electron and muon reconstruction and identification are summarized. Studies on the muon fake rates, on the effect of pileup on the isolation of the muons, and on muon efficiencies of the isolation and impact parameter requirements are presented. The analysis of the Higgs decay to four leptons is detailed with emphasis on the background estimation, the methods employed and the control regions used. The results of the search using the 2011 √s= 7TeV data are presented which have led to hints for the observation of the Higgs boson. The optimization performed for the search of a low mass Higgs boson is described and the effect on the 2011 data are shown. The analysis is performed for the 2012 √s = 8TeV data collected up to July and the results are presented, including the combination with the 2011 data. These latest results have led to the observation of a new particle consistent with the Standard Model Higgs. / Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η αναζήτηση για το μποζόνιο Higgsτου Καθιερωμένου Προτύπου μέσω της διάσπασης του σε τέσσερα λεπτόνια, με το πείραμα ATLAS στο CERN. Παρουσιάζεται η θεωρία που προβλέπει το μποζόνιο Higgs και παρατίθενται οι περιορισμοί της θεωρίας και των άμεσων και έμμεσων αναζητήσεων του μποζονίου. Περιγράφονται το πείραμα ATLAS και τα επιμέρους στοιχεία του καθώς επίσης και το Σύστημα Ελέγχου Ανιχνευτή για τη λειτουργία και την παρακολούθηση του συστήματος τροφοδοσίας τάσης για τους Θαλάμους Ολίσθισης. Η ανακατασκευή και ταυτοποίηση των ηλεκτρονίων και των μιονίων συνοψίζονται. Παρουσιάζονται μελέτες για το ποσοστό των μιονίων που προέρχονται από διασπάσεις άλλων σωματιδίων, για την επίδραση των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων σε κάθε σύγκρουση στην απομόνωση των μιονίων, καθώς και για την αποτελεσματικότητα των κριτηρίων επιλογής σχετικά με την απομόνωση και την παράμετρο κρούσης των μιονίων. Η ανάλυση της διάσπασης του Higgs σε τέσσερα λεπτόνια περιγράφεται λεπτομερώς με έμφαση στην εκτίμηση των διαδικασιών υποβάθρου, στις μέθοδους που εφαρμόζονται και στις περιοχές ελέγχου που χρησιμοποιούνται. Τα αποτελέσματα της αναζήτησης με τη χρήση των δεδομένων του 2011 σε √s = 7 TeV παρουσιάζονται τα οποία οδήγησαν σε υποδείξεις για την παρατήρηση του μποζονίου Higgs. Περιγράφεται η αναθεώρηση των κριτηρίων επιλογής για την αναζήτηση μιας χαμηλής μάζας μποζονίου Higgs και παρατίθεται η επίδραση της στα δεδομένα του 2011. Η ανάλυση διεξάγεται για τα δεδομένα του 2012 σε √s = 8 TeV που συλλέχθηκαν μέχρι τον Ιούλιο και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται, συμπεριλαμβανομένου του συνδυασμού με τα δεδομένα του 2011. Τα τελευταία αποτελέσματα έχουν οδηγήσει στην παρατήρηση ενός νέου σωματιδίου συμβατό με το μποζόνιο Higgsτου Καθιερωμένου Προτύπου.

Eine Suche nach langlebigen, schweren neutralen Leptonen ($\mathcal{N}$) in 139~fb$^{-1}$ mit $\sqrt{s}=13$~TeV $pp$ Kollisionsdaten der Jahre 2015-2018 mit Hilfe des ATLAS-Detektors am Large Hadron Collider ist präsentiert. Die $\mathcal{N}$ werden in $W \rightarrow \mathcal{N} \mu$ oder $W \rightarrow \mathcal{N} e$ produziert und zerfallen in zwei geladene Leptonen und ein Neutrino. Die Zerfallsprodukte des $\mathcal{N}$ bilden eine einzigartige versetzte Vertex-Signatur. Die $\mathcal{N}$ Masse wird mit Hilfe einer neuartigen Technik rekonstruiert und genutzt, um zwischen Signal- und Untergrundereignissen zu differenzieren. Es wurden keine Signalereignisse beobachtet, Sensitivitätsgrenzen werden auf die quadrierten Mischungsparameter zwischen rechtshändigen und linkshändigen Neutrinos für den $\mathcal{N}$ Massenbereich von $3$~GeV~$< m_{\mathcal{N}} < 15$~GeV gesetzt. Zum ersten Mal werden diese Sensitivitätsgrenzen für Kopplungen für einen Neutino-Flavour, aber auch für Kopplungen für mehrere Neutrino-Flavour-Mischungsverhältnisse angegeben, die mit den gemessenen Neutrino-Oszillationsdaten für die invertierte und normale Massenhierarchie übereinstimmen. Zusätzlich zu der bereits abgeschlossenen Suche nach $\mathcal{N}$ werden laufende Aktivitäten skizziert, die 66~fb$^{-1}$ und $\sqrt{s}=13.6$~TeV $pp$ Kollisionsdaten der Jahre 2022-2023 des ATLAS-Detektors und semi-leptonische $\mathcal{N}$ Zerfälle in ein geladenes Lepton und ein geladenes Pion einbeziehen. / A search for a long-lived, heavy neutral lepton ($\mathcal{N}$) in 139~fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$~TeV $pp$ collision data collected between 2015 and 2018 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is presented. The $\mathcal{N}$ is assumed to be produced via $W \rightarrow \mathcal{N} \mu$ or $W \rightarrow \mathcal{N} e$ and decays into two charged leptons and a neutrino, forming a unique displaced vertex signature. A novel technique is used to reconstruct the $\mathcal{N}$ mass that discriminates between signal and background. No signal is observed, and limits are set on the squared mixing parameters of the $\mathcal{N}$ with the left-handed neutrino states for the $\mathcal{N}$ mass range $3$~GeV~$< m_{\mathcal{N}} < 15$~GeV. For the first time, limits are given for both single-flavour and multi-flavour mixing scenarios motivated by neutrino-flavour oscillation results for both the normal and inverted neutrino-mass hierarchies. In addition to the concluded search for $\mathcal{N}$, ongoing efforts are outlined that include 66~fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13.6$~TeV $pp$ collision data collected between 2022 and 2023 by the ATLAS detector and semileptonic $\mathcal{N}$ decays into a charged lepton and a charged pion.

In this doctoral thesis, we study both low- and high-energy observables related to massive neutrinos. Neutrino oscillations have provided indisputable evidence in favour of non-zero neutrino masses and mixings. However, the original formulation of the Standard Model cannot account for these observations, which calls for the introduction of new Physics. Among many possibilities, we focus here on the inverse seesaw, a neutrino mass generation mechanism in which the Standard Model is extended with fermionic gauge singlets. This model offers an attractive alternative to the usual seesaw realisations since it can potentially have natural Yukawa couplings (O(1)) while keeping the new Physics scale at energies within reach of the LHC. Among the many possible effects, this scenario can lead to deviations from lepton flavour universality. We have investigated these signatures and found that the ratios R_K and R_π provide new, additional constraints on the inverse seesaw. We have also considered the embedding of the inverse seesaw in supersymmetric models. This leads to increased rates for various lepton flavour violating processes, due to enhanced contributions from penguin diagrams mediated by the Higgs and Z bosons. Finally, we also found that the new invisible decay channels associated with the sterile neutrinos present in the supersymmetric inverse seesaw could significantly weaken the constraints on the mass and couplings of a light CP-odd Higgs boson.

Les trois premières années de fonctionnement de l'expérience ATLAS au LHC, aux résultats fructueux, ont ouvert l'accès à la physique à l'échelle du TeV. Les travaux effectués dans ce contexte ont porté à la fois sur des aspects de performance (reconstruction des électrons) et d'analyse (recherche de nouvelle physique). La première partie est consacrée aux mesures in-situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La méthodologie employée pour réaliser ces mesures dans les données est présentée en détails ainsi que les méthodes développées pour l'estimation du bruit de fond résiduel. La deuxième partie traite de la recherche de Supersymétrie dans les événements avec deux leptons (électrons ou muons) de charges identiques, accompagnés de jets et éventuellement d'énergie transverse manquante, basée sur l'ensemble des données collectées par ATLAS en 2012 (soit 21 fb-1 à sqrt{s}= 8 TeV). Ces états finaux sont particulièrement appropriés à la recherche de gluinos ou de squarks de troisième génération. Les principaux aspects de l'analyse sont décrits, notamment les méthodes d'estimation des différents bruits de fond. L'absence d'excès dans les régions de signal par rapport aux prédictions du Modèle Standard est interprétée en termes de limites sur les masses des superpartenaires, dans le cadre de modèles aux spectres de masse simplifiés. Ainsi, dans les modes de désintégrations étudiés, l'existence de gluinos de masse inférieure à 1 TeV, ou de sbottoms de masse inférieure à 500 GeV, est exclue. / The first three years of operation of the ATLAS experiment at LHC, with fruitful results, have opened the way to physics at the TeV scale. The work realized in this context included some performance aspects (electron reconstruction) as well as analysis (search for new physics). The first part is devoted to in-situ measurements of electron reconstruction and identification efficiencies. The methodology employed to perform these measurements in data is presented in details, as well as the methods developped for estimating the residual background. The second part deals with a search for Supersymmetry in events with two leptons (electrons or muons) of identical charges, together with jets and in some cases missing transverse energy, based on the whole dataset colledcted by ATLAS in 2012 (namely 21 fb-1 at 8 TeV). These final states are particularly adapted to searches for gluinos or third generation squarks. The main aspects of the analysis are described, in particular the methods used to estimate the various backgrounds. The absence of excess in the signal regions with respect to the Standard Model predictions is interpreted in terms of limits on the masses of superpartners, in the frame of models with simplified mass spectra. Thus, in the studied decay modes, the existence of gluinos with masses below 1 TeV or sbottoms with masses below 500 GeV is excluded.

Dans cette thèse, nous étudions à la fois des observables de basse et de haute énergie liée à la présence de neutrinos massifs. Les oscillations de neutrinos ont apporté des preuves indiscutables en faveur de l'existence de masses non-nulles et de mélanges. Néanmoins, la formulation originale du Modèle Standard ne permet pas d'expliquer ces observations, d'où la nécessité d'introduire de nouveaux modèles. Parmi de nombreuses possibilités, nous nous concentrons ici sur le seesaw inverse, un mécanisme générant des neutrinos massifs par l'ajout de fermions singulets de jauge au Modèle Standard. Ce modèle offre une alternative attractive aux réalisations habituelles du seesaw puisqu'il a des couplages de Yukawa potentiellement naturels (O(1)) tout en conservant l'échelle de la nouvelle physique à des énergies accessibles au LHC. Parmi de nombreux effets, ce scénario peut générer de larges écarts à l'universalité leptonique. Nous avons étudié ces signatures et trouvé que les rapports R_K et R_π constituent de nouvelles contraintes pour le seesaw inverse. Nous nous sommes aussi intéressé à l'intégration de l'inverse seesaw dans différents modèles supersymétriques. Ceci conduit à une augmentation de la section efficace de divers processus violant la saveur leptonique du fait de contributions plus importantes venant des diagrammes pingouins comportant un boson de Higgs ou Z. Finalement, nous avons aussi trouvé que les nouveaux canaux de désintégration ouverts par la présence de neutrinos stériles dans les modèles de seesaw inverse supersymétriques peuvent significativement relaxer les contraintes sur la masse et les couplages d'un boson de Higgs CP-impair. / In this doctoral thesis, we study both low- and high-energy observables related to massive neutrinos. Neutrino oscillations have provided indisputable evidence in favour of non-zero neutrino masses and mixings. However, the original formulation of the Standard Model cannot account for these observations, which calls for the introduction of new Physics. Among many possibilities, we focus here on the inverse seesaw, a neutrino mass generation mechanism in which the Standard Model is extended with fermionic gauge singlets. This model offers an attractive alternative to the usual seesaw realisations since it can potentially have natural Yukawa couplings (O(1)) while keeping the new Physics scale at energies within reach of the LHC. Among the many possible effects, this scenario can lead to deviations from lepton flavour universality. We have investigated these signatures and found that the ratios R_K and R_π provide new, additional constraints on the inverse seesaw. We have also considered the embedding of the inverse seesaw in supersymmetric models. This leads to increased rates for various lepton flavour violating processes, due to enhanced contributions from penguin diagrams mediated by the Higgs and Z bosons. Finally, we also found that the new invisible decay channels associated with the sterile neutrinos present in the supersymmetric inverse seesaw could significantly weaken the constraints on the mass and couplings of a light CP-odd Higgs boson.

The lepton flavor violating interactions are interesting in the sense that they are sensitive the physics beyond the standard model and they ensure considerable information about the restrictions of the free parameters, with the help of the possible accurate measurements. In this work, we investigate the lepton flavor violating H+ ! W+l and the lepton flavor conserving H+ ! W+l decays in the general two Higgs doublet model and we estimate decay widths of these decays. After that, we analyze lepton flavor violating decay ! i in the same model and calculate its branching ratio. We observe that the experimental results of the processes under consideration can give comprehensive information about the physics beyond the standard model and the existing free parameters.

Ce mémoire de thèse présente une étude de l'identification des candidats tau par différents algorithmes dans les collisions pp au LHC et impliquant différents processus physiques : électrofaibles, production de quarks top, SUSY et QCD. Les leptons tau sont identifiés géométriquement dans la voie de désintégration hadronique car les jets issus de ces désintégrations sont généralement plus étroits et mieux isolés que les jets QCD. Une discrimination supplémentaire est appliquée en exigeant la présence d'un des modes de désintégration hadronique dominants du tau contenant un ou trois pions chargés et jusqu'à deux pions neutres. Les jets QCD produits en très grande quantité dans les collisions proton-proton du LHC constituent une source de bruit de fond importante pour les analyses impliquant l'identification de leptons tau. L'analyse des jets QCD produits dans le LHC pour les études de mauvaise identification porte sur 36 pb−1 de données enregistrées par le détecteur CMS pendant l'année 2010. Les efficacités d'identification et les taux de mauvaise identification nous révèlent une forte dépendance en les caractéristiques de l'évènement étudié : les efficacités sont globalement plus basses dans les évènements présentant une activité hadronique importante comme les évènements SUSY et tt que dans les évènements QCD mous et électrofaibles. Les effets de l'environnement sur l'identification de tau sont paramétrés à l'aide de deux variables globales : somme(ET) et la multiplicité de hadrons chargés. Les efficacités chutent typiquement de 80% entre les multiplicités de hadrons les plus faibles et le plus fortes.

A search for the neutral Higgs bosons predicted by the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) is presented. The analysis is performed on data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of sqrt{s}=8 TeV at the Large Hadron Collider recorded by the ATLAS detector. The data were collected in 2012, correspond to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 and represent the full 8 TeV dataset. This search is performed in the tau-tau final state, with one tau lepton decaying leptonically and the other hadronically. The analysis is optimized in three categories, addressing low-mass Higgs bosons which are accompanied by a bottom quark induced jet or not and high-mass Higgs bosons. No deviations from Standard Model predictions are observed, and therefore no evidences of new Higgs bosons are found. Exclusion limits are set on the cross-section times branching fraction of the Higgs bosons and for parameters m_A and tan{beta} of MSSM benchmark scenarios. / In dieser Arbeit wird die Suche nach neutralen Higgs-Bosonen im Rahmen des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) vorgestellt. Die Analyse basiert auf dem kompletten Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen des Large Hadron Colliders, LHC, die mit dem ATLAS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=8 TeV im Jahr 2012 aufgenommen wurden. Die Daten entsprechen einer Luminosität 20.3 fb-1. Die Suche fokussiert auf den Tau-Tau Endzustand, wobei ein Tau-Lepton hadronisch zerfällt und das andere leptonisch, entweder in ein Elektron oder in ein Muon. Die Analyse wurde in drei Kategorien optimiert, um sowohl für Higgs-Bosonen im niedrigen Massenbereich von 90-200 GeV als auch im hohen Massenbereich von 200 GeV bis 1 TeV sensitiv zu sein. Der niedrige Massenbereich wurde dabei in zwei Unterkategorien geteilt, entsprechend der Anwesenheit bzw. Abwesenheit von zusätzlichen, durch b-Quarks induzierten Jets, um die Empfindlichkeit für spezielle Higgs-Boson-Produktionsmodi zu erhöhen. Im Rahmen dieser Analyse wurden keine Hinweise auf neue Higgs-Bosonen gefunden und daher Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt x Verzweigungsverhältnis gesetzt. Ebenfalls wurden die Resultate in MSSM-Benchmark-Szenarien interpretiert.

Au LHC, l'un des buts essentiels à savoir était de trouver la dernière pièce manquante du modèle standard (MS), i.e. le boson de Higgs (H). La recherche fut couronnée de succès avec les données prises en 2012 et la découverte d'une nouvelle particule scalaire de masse ~126 GeV, se désintégrant en deux bosons (deux photons ou deux bosons électrofaibles ZZ or W+W-). Pour vérifier la compatibilité de la nouvelle particule avec les prédictions du MS, son couplage aux fermions devait être établi, ce qui motiva la recherche du Higgs dans le mode de désintégration en deux leptons taus ayant un rapport d'embranchement important. Dans ATLAS, cette analyse est divisée en trois canaux selon le mode de désintégration des leptons taus. Le travail présenté dans cette thèse concerne le canal “lepton-hadron”, où l'un des taus de l'état final se désintègre leptoniquement en un muon ou un electron, alors que l'autre se désintègre hadroniquement. Les canaux de l'analyse H→tau+ tau- sont caractérisés par de larges valeurs de l'énergie transverse manquante (MET) dans l'état final et adoptent la même technique pour identifier le lepton tau. Dans cette thèse, une contribution importante, mettant en relief l'amélioration obtenue avec une nouvelle MET, est montrée. En utilisant les traces chargées pour estimer la composante “molle” de MET dans les événements issus de collisions p-p, la sensibilité à l'empilement (pile-up), inévitable dans les collisionneurs hadroniques à haute luminosité, est bien réduite. Les erreurs systématiques associées à la composante molle ont été évaluées et leur dependence sur les conditions de pile-up et de modélisation de l'événement a été étudiée pour différentes définitions de MET. Ceci contribuera à améliorer les futures analyses H→tau+ tau-. Dans l'analyse “lepton-hadron”, le bruit de fond dominant provient des événements dont un jet de hadrons est mal identifié comme un tau se désintégrant hadroniquement (“fake tau”). Le travail discuté montre en détail l'estimation de ce bruit de fond pour les deux configurations les plus sensibles aux événements de signal H, i.e. les événements produits avec un Higgs bien boosté ou ceux produits par fusion de deux bosons vecteurs (mode VBF). L'état final de ces derniers est caractérisé par deux jets bien séparés en pseudorapidité, répartis sur les deux hemisphères, produits en association avec les produits de désintégration du H. Enfin, cette thèse rapporte une dernière contribution utilisant la théorie effective des champs pour la production du boson de Higgs et pour estimer les couplages de ce dernier (HEFT), et explorer la nouvelle physique au delà du MS de façon indépendante du modèle théorique. Le travail consiste à tester et valider le modèle “tauDecay” dans le cadre d'une caractérisation du Higgs utilisant HEFT au sein de Madgraph5_aMC@NLO. Après avoir écrit un outil permettant de fusionner les fichiers de production et de désintégration du Higgs (utile surtout en travaillant avec une précision au niveau NLO), la validation du modèle a été faite de 3 façons indépendantes: avec la génération d' événements au niveau d'éléments de matrice directement, avec l'outil créé et en désintégrant les taus avec MadSpin. Ce nouvel outil est prêt à être utilisé durant le Run-II du LHC. / In the LHC project, one of the major goals was the search for the last missing piece of the standard model (SM), namely the Higgs boson (H). The quest was successful during the Run I data taking in 2012 with the discovery of a new scalar of mass ~126 GeV, compatible with the SM Higgs boson, and decaying to two bosons (either two photons or two electroweak vector bosons ZZ or W+W-). To complete the picture, one needed to establish the couplings of the new particle to fermions. This motivated the search for the decay mode into two tau leptons predicted with a high branching ratio.Inside the ATLAS collaboration, the analysis was divided into three channels according to the decay modes of the tau pair. The work reported in this Ph.D describes the “ lepton-hadron ” analysis where one tau lepton decays leptonically into an electron or a muon and the other decays hadronically. Common features of all three analyses are the identification of the tau lepton and the presence of large missing transverse energy (MET) due to the escaping neutrinos from the tau decays. An important contribution reported in this dissertation concerns the improvement brought by a new MET determination. By using charged tracks to estimate the contribution of the soft energy component produced in the proton-proton collision, the sensitivity to the overlayed events (“ pile-up ”), unavoidable in a high luminosity hadron collider, is very much reduced. The systematic uncertainties associated to this soft component were estimated, their dependence on physics modeling and pile-up conditions studied for various track-based MET definitions. It will contribute to an improved H→tau+ tau- analysis with future data.In the lepton-hadron H analysis, the dominant background comes from events where a hadronic jet is misidentified as a hadronic tau (“ fake-tau ”). The work reports in detail how this fake-tau background has been estimated in the two most sensitive event configurations predicted for the H signal i.e. events where the H boson is highly boosted or produced by fusion of vector bosons (VBF); VBF events are characterized by two forward and backward jets in addition to the H decay products.Finally, the thesis reports on a last contribution performed with the Higgs Effective Field Theory (HEFT) to study the H couplings and probe new physics beyond SM in a model independent way. The work consisted in testing and validating the “TauDecay” model in association with the Higgs characterization framework in Madgraph5_aMC@NLO. After implementing a tool to merge H production and decay in a single step (especially useful with NLO requirements), the validation was done in three different ways: direct matrix element generation, with the implemented merging tool and using MadSpin to decay taus. The combined package is ready for use in the LHC Run II context.