La thèse décrit une étude de l'état final en paire de leptons tau dans le mode de désintégration semi-leptonique en muons et hadrons en utilisant des données proton-proton collisions à une énergie de centre de masse de 7 TeV avec le détecteur CMS au CERN Large Hadron Collider. La performance de l'algorithme de reconstruction et d'identification des leptons tau est étudiée en utilisant un échantillon de données de collisions proton-proton à $ \ sqrt $ = 7 TeV, ce qui correspond à une luminosité intégrée de 36 pb $ ^ {-1} $. Les leptons tau qui se désintègrent en un seul hadron chargé, avec ou sans hadrons neutres sont reconstruits à l'aide de la technique dite du flot de particules pour la reconstruction des objets en utilisant un nouvel algorithme adapté aux leptons tau et appelé le Hadrons Plus Strips (HPS) qui utilise le trajectographe et le calorimètre électromagnétique de CMS. L'efficacité de l'algorithme de reconstruction est mesurée en utilisant les leptons taus produits lors de la désintégration de bosons Z. Le taux de mauvaise identification de leptons tau se désintégrant de manière hadronique pour les jets produits en association avec un boson W est également déterminé. La première mesure inclusive de production Z $ \ rightarrow \ tau \ tau $ dans les collisions pp au le LHC est présentée dans les états finals muon+jets en utilisant un échantillon de données de 36 pb $ ^ {-1} $. La section efficace mesurée est en bon accord avec les prédictions QCD à l'ordre doublement suivant l'ordre dominant (NNLO). Après avoir identifié le boson Z dans le mode de désintégration di-tau, une recherche inclusive de bosons de Higgs neutres du modèle supersymétrique standard minimal (MSSM) dans les collisions pp est réalisée à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. Les résultats sont basés sur un échantillon de données correspondant à une luminosité intégrée de 36 pb $ ^ {-1} $ et de 4,6 $ fb ^ {-1} $ enregistré par l'expérience CMS dans l'année 2010 et 2011 respectivement. La recherche utilise les désintégrations de bosons de Higgs en paire de leptons tau. Aucun excès n'est observée dans le spectre de masse invariante de paires de leptons tau. Les limites supérieures sur le produit de la section efficace de production de boson de Higgs par le rapport de branchement de la désintégration en paire de leptons tau en fonction de la masse du boson de Higgs pseudoscalaire permettent de donner des limites strictes dans l'espace des paramètres du MSSM. / The thesis describes a study of the tau-pair final state in the semi-leptonic decay mode into muon and hadrons using proton-proton collisions data at a center-of-mass energy of 7 TeV using the CMS detector at the CERN Large Hadron Collider. The performance of tau-lepton reconstruction and identification algorithm is studied using a data sample of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 7 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 36 pb$^{-1}$. The tau leptons that decay into one charged hadron with or without the association of neutral hadrons is reconstructed using Particle-Flow object reconstruction technique with a novel tau identification algorithm called the Hadron Plus Strips (HPS) algorithm in the CMS tracker and electromagnetic calorimeter. The reconstruction efficiency of the algorithm is measured using $\tau$ leptons produced in Z-boson decays. The hadronically decaying tau lepton misidentification rate for jets produced in association with a W boson is also determined. The first measurement of inclusive Z$\rightarrow\tau\tau$ production in pp collisions at the LHC is presented in muon+hadrons final state using a data sample of 36 pb$^{-1}$. The measured cross-section is in good agreement with the next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD prediction. After establishing the Z boson in di-tau decay mode, an inclusive search for neutral minimal supersymmetric standard model (MSSM) Higgs bosons in pp collisions is performed at a center-of-mass energy of 7 TeV. The results are based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 36 pb$^{-1}$ and 4.6 fb$^{-1}$ recorded by the CMS experiment in the year 2010 and 2011 respectively. The search uses decays of the Higgs bosons to tau pairs. No excess is observed in the tau-pair invariant-mass spectrum. The resulting upper limits on the Higgs boson production cross-section times the branching fraction to tau pairs, as a function of the pseudoscalar Higgs boson mass, yield stringent bounds in the MSSM parameter space.

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.

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. / The work presented in this thesis deals with tau identified by different algorithms in pp collision at LHC and in various kind of physics processes : Electroweak, top quark production, SUSY and QCD. Tau leptons are geometrically identified in their hadronic decay mode because the jets coming from those decays are generally more collimated and isolated than QCD jets. An additional discrimination is applied in asking the presence of one of the dominant # decay modes containing one or three charged pions and up to two neutral pions. The QCD jets produced in large quantities in LHC proton-proton collisions constitute a large background source for analyses involving tau-ID. The analysis of QCD jets produced in LHC for fake-rate studies processed 36pb−1 of data registered during year 2010. Identification efficiencies and fake-rate distributions reveals a strong dependency on event type : distributions are globally lower in events having a large hadronic activity like SUSY and tt events than in electroweak and QCD events. The environment effects of the collision on the identification of tau leptons can be parameterized by two global variables : somme(ET) and charged hadron multiplicity. Efficiencies drop down by 80% between the lowest and the highest charged hadron multiplicities.

La notion de symétrie de jauge est au coeur de notre compréhension de l'interaction électrofaible et permet d'expliquer l'ensemble des observations expérimentales actuelles. Pourtant, l'incompatibilité intrinsèque entre l'invariance de jauge et la masse des particules nécessite d'introduire une nouvelle particule, le boson de Higgs, toujours non observée à ce jour. Cette thèse présente l'analyse de 7.3/fb de collisions protons-antiprotons à sqrt{s} = 1.96 TeV enregistrées par le détecteur D0 au Tevatron en vue de la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau. Cette analyse vient compléter les canaux principaux dimuons, électron-muon et diélectrons en exploitant également la désintégration H -> WW -> lvlv, majoritaire dans la fenêtre de masse accessible au Tevatron. L'état final contenant un lepton tau, leur identification parmi les jets a été améliorée d'environ 15% grâce au développement de plusieurs idées : l'ajustement des paramètres du réseau de neurones d'identification, la prise en compte de certaines dépendances cinématiques des performances de l'algorithme, l'exploitation du temps de vie du lepton tau et une étude exhaustive visant à inclure la mesure du détecteur de pieds de gerbe dans le processus d'identification. Dans un second temps, la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau étant dominée par le bruit de fond W+jets (où un jet est faussement identifié comme un lepton tau), une méthode a été élaborée pour obtenir une modélisation convenable de ce bruit de fond, non fournie par la simulation par défaut. Cette méthode est basée, entre autres, sur l'étude de la corrélation de charge entre le muon et le candidat tau qui permet de mesurer ce bruit de fond dans les données en excluant la région du signal. Ensuite, l'exploitation des cinématiques et/ou topologies différentes du signal et du bruit de fond a permis d'optimiser cette recherche atteignant alors une sensibilité attendue (observée) de 7.8 (6.6) fois le Modèle Standard pour une masse de 165 GeV/c2. Enfin, l'interprétation de l'analyse dans un scénario à quatre familles de fermions a été effectuée. Pour la première fois, cette analyse est incluse dans les combinaisons D0 et Tevatron présentées à Moriond EW et EPS 2011.

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.

La notion de symétrie de jauge est au coeur de notre compréhension de l'interaction électrofaible et permet d'expliquer l'ensemble des observations expérimentales actuelles. Pourtant, l'incompatibilité intrinsèque entre l'invariance de jauge et la masse des particules nécessite d'introduire une nouvelle particule, le boson de Higgs, toujours non observée à ce jour. Cette thèse présente l'analyse de 7.3/fb de collisions protons-antiprotons à sqrt{s} = 1.96 TeV enregistrées par le détecteur D0 au Tevatron en vue de la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau. Cette analyse vient compléter les canaux principaux dimuons, électron-muon et diélectrons en exploitant également la désintégration H -> WW -> lvlv, majoritaire dans la fenêtre de masse accessible au Tevatron. L'état final contenant un lepton tau, leur identification parmi les jets a été améliorée d'environ 15% grâce au développement de plusieurs idées : l'ajustement des paramètres du réseau de neurones d'identification, la prise en compte de certaines dépendances cinématiques des performances de l'algorithme, l'exploitation du temps de vie du lepton tau et une étude exhaustive visant à inclure la mesure du détecteur de pieds de gerbe dans le processus d'identification. Dans un second temps, la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau étant dominée par le bruit de fond W+jets (où un jet est faussement identifié comme un lepton tau), une méthode a été élaborée pour obtenir une modélisation convenable de ce bruit de fond, non fournie par la simulation par défaut. Cette méthode est basée, entre autres, sur l'étude de la corrélation de charge entre le muon et le candidat tau qui permet de mesurer ce bruit de fond dans les données en excluant la région du signal. Ensuite, l'exploitation des cinématiques et/ou topologies différentes du signal et du bruit de fond a permis d'optimiser cette recherche atteignant alors une sensibilité attendue (observée) de 7.8 (6.6) fois le Modèle Standard pour une masse de 165 GeV/c2. Enfin, l'interprétation de l'analyse dans un scénario à quatre familles de fermions a été effectuée. Pour la première fois, cette analyse est incluse dans les combinaisons D0 et Tevatron présentées à Moriond EW et EPS 2011. / The gauge symmetry is the heart of our understanding of the electroweak interaction and describes all the current experimental results. However, the intrinsic incompatibility between the gauge invariance and the mass of particles leads to the introduction of a new particle, the Higgs boson, for which we have no experimental evidence as of today. This thesis describes the Higgs boson search in the mu+tau final state in 7.3/fb of protons-antiprotons collisions at sqrt{s} = 1.96 TeV collected by the D0 detector at the Tevatron. This analysis completes the golden channels (dimuons, electron-muon, dielectrons) exploiting the decay chain H-> WW ->lvlv, which is the main Higgs boson decay mode in the mass window accessible to the Tevatron. Since the final state includes a tau lepton, work was done to improve their identification among jets. An increase of 15% was achieved thanks to the the following : changing tuning parameters for the tau identification neural network, use of the kinematical dependence of the algorithm performances, incorporation of the tau lepton life time information and full study of the additionnal information coming from the central preshower measurements. Then, since the dominant background of the mu+tau Higgs boson search is W+jets (where one jet fakes a tau), a method was developed to obtain good modeling of this background, not provided by the default simulation. This method is based, among other things, on the charge correlation between the muon and the tau candidate which allows for calibration of this background in the data excluding the signal region. Finally, all the kinematic and/or topological differences between the signal and the background were exploited to optimize this search, reaching an (observed) expected sensitivity of 7.8 (6.6) times the Standard Model for mH = 165 GeV/c2. In addition, this result was also interpreted in a fourth fermion generation scenario. For the first time, this analysis is included in the D0 and Tevatron combinations, both presented at Moriond EW and EPS 2011.

Cette thèse a pour sujet la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top-antitop dans l'expérience CMS auprès du LHC. L'état final considéré est le canal semi-leptonique "tau+jets". Un boson W issu de la désintégration du quark top se désintègre en un tau hadronique et neutrino tandis que le second boson W se désintègre en une paire quark-antiquark. La conduite de cette analyse a nécessité le développement d'un nouveau mode de déclenchement des données (trigger) incluant la présence de quatre jets dont un identifié en tant que tau hadronique. La configuration de ce trigger ainsi que son efficacité ont été étudiés dans cette thèse. Un échantillon de données correspondant à 3.9 fb−1 a été enregistré avec ce trigger et analysé. Les leptons taus ont été reconstruits grâce à un algorithme identifiant leurs résonances intermédiaires tandis que les jets de quarks beaux issus de la désintégration des quarks tops ont été identifiés grâce à l'algorithme "probabilité par jet". Cet algorithme pour lequel j'ai mis en oeuvre une procédure de calibration depuis 2009 utilise le paramètre d'impact des traces de particules chargées pour calculer leur probabilité de venir du vertex primaire. Des études de performance de cet algorithme sont également présentées dans cette thèse. Afin de séparer le signal de l'important bruit de fond majoritairement constitué des processus multijets QCD et W+jets un réseau de neurones utilisant des variables dites d'environnement (aplanarité, HT, M(τ,jets), énergie transverse manquante...) a été développé. La section efficace a été extraite à l'aide d'un ajustement par méthode du maximum de vraisemblance de la sortie du réseau de neurones. Les incertitudes systématiques ont fait l'objet d'une étude détaillée. La valeur de la section efficace mesurée, σ(top-antitop) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, est en accord avec la section efficace prédite par le modèle standard.

Cette thèse a pour sujet la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top-antitop dans l’expérience CMS auprès du LHC. L’état final considéré est le canal semi-leptonique ”tau+jets”. Un boson W issu de la désintégration du quark top se désintègre en un tau hadronique et neutrino tandis que le second boson W se désintègre en une paire quark-antiquark. La conduite de cette analyse a nécessité le développement d’un nouveau mode de déclenchement des données (trigger) incluant la présence de quatre jets dont un identifié en tant que tau hadronique. La configuration de ce trigger ainsi que son efficacité ont été étudiés dans cette thèse. Un échantillon de données correspondant à 3.9 fb−1 a été enregistré avec ce trigger et analysé. Les leptons taus ont été reconstruits grâce à un algorithme identifiant leurs résonances intermédiaires tandis que les jets de quarks beaux issus de la désintégration des quarks tops ont été identifiés grâce à l’algorithme ”probabilité par jet”. Cet algorithme pour lequel j’ai mis en oeuvre une procédure de calibration depuis 2009 utilise le paramètre d’impact des traces de particules chargées pour calculer leur probabilité de venir du vertex primaire. Des études de performance de cet algorithme sont également présentées dans cette thèse. Afin de séparer le signal de l’important bruit de fond majoritairement constitué des processus multijets QCD et W+jets un réseau de neurones utilisant des variables dites d’environnement (aplanarité, HT, M(τ,jets), énergie transverse manquante...) a été développé. La section efficace a été extraite à l’aide d’un ajustement par méthode du maximum de vraisemblance de la sortie du réseau de neurones. Les incertitudes systématiques ont fait l’objet d’une étude détaillée. La valeur de la section efficace mesurée, σ(top-antitop) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, est en accord avec la section efficace prédite par le modèle standard. / In this thesis we present the first measurement in the CMS experiment of the top-antitop production cross section in the tau+jets final state. To perform this measurement we designed a specific trigger requiring the presence of four jets, one of them being identified as an hadronic tau. The performance of this trigger has been studied in this thesis. A dataset of 3.9 fb-1 was collected with this trigger and analyzed. At offline level we needed to apply a sophisticated tau identification technique to identify the tau jets, based on the reconstruction of the intermediate resonances of the hadronic tau decay modes. Another crucial point was the b-jet identification, both to identify the b-jets in the final state and to modelize the background using a data driven technique. The studies done on the b-tag algorithms along the PhD period are also presented with particular attention to the ”Jet Probability” algorithm. It is the algorithm for which I performed the calibration since 2009 as well as the one used to tag the b-jets from the top decays. A neural network has been developed to separate the top-antitop events from the W+jets and multijet backgrounds. A binned likelihood fit to the neural network output distribution is done in order to extract the signal contribution from the background. A detailed estimation of the systematic uncertainties on the cross section measurement is also presented. The result for the cross section measurement, σ(tt) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, is in perfect agreement with the standard model expectation.