Le LHC est un collisionneur de protons d'une énergie de 14 TeV dans le centre de masse situé au CERN. Les premières collisions sont attendues à l'automne 2009. L'expérience ATLAS est l'une des deux expériences généralistes installées auprès du LHC. L'énergie disponible et la haute luminosité du LHC permettront à ATLAS de rechercher le boson de Higgs ainsi que les nouvelles particules prédites par les modèles de physique au-delà du modèle standard. Les muons occupent une place importante pour les mesures du modèle standard ainsi que pour la recherche de nouvelle physique. Cette thèse étudie la recherche directe de Z' se désintégrant en une paire de muons. Un petit nombre d'événements suffit pour découvrir un Z' ce qui est envisageable dès les premières collectes de données. On y étudiera notamment les effets de l'alignement du spectromètre à muons sur des traces de haut pT et sur le potentiel de découverte de Z' de l'expérience ATLAS. Cette analyse s'inscrivant dans le cadre du démarrage du LHC, l'alignement du spectromètre à muons n'aura pas atteint les performances nominales. Des muons de hauts pT ont été utilisés pour estimer l'impact d'un alignement dégradé sur la reconstruction de traces. Les comparaisons ont été faites en terme d'efficacité de reconstruction, de résolution en impulsion et en masse invariante, d'identification de la charge et de sensibilité à la découverte ou à l'exclusion. Pour les premières données du LHC une analyse avec le spectromètre seul est nécessaire. Enfin, une étude complète pour déterminer la géométrie initiale du spectromètre à muons en utilisant des traces sans champ magnétique toroïdal a été menée.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la matière constituée de particules élémentaires qui interagissent via les interactions fortes et électrofaibles. Le quark top est le quark le plus lourd décrit par ce modèle et a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et D0 dans les collisions proton-antiproton du Tevatron. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paire de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant un lepton, un tau hadronique, deux jets de b et de l'énergie transverse manquante. Cette analyse utilise les données collectées au début du Run IIb entre juillet 2006 et aout 2007, soit une luminosité de 1,2 fb-1 qui sont combinées avec les données du Run IIa pour atteindre une luminosité de 2,2 fb-1. Une partie du travail de thèse décrit ici est consacrée au système de déclenchement du détecteur D0, qui constitue la première étape de toutes les analyses, et en particulier à l'identification des leptons taus au niveau 3 du système de déclenchement et aux déclenchements « jets+met » basés sur la présence de jets et d'énergie transverse manquante. La problématique de la résolution en énergie des jets est également abordée, sous l'angle de<br />l'intercalibration en eta du calorimètre hadronique et avec l'utilisation du détecteur de pied de gerbe central (CPS) dans la définition de l'énergie des jets. La section efficace de production de paires de quark top obtenue est :<br />sigma=7,32+1,34-1,24(stat)+1,20-1,06(syst)±0,45(lumi) pb<br />Cette mesure est en accord avec les prédictions du modèle standard et permet de contraindre la présence de nouvelle physique, telle que l'existence d'un boson de Higgs chargé plus léger que le quark top. Une limite d'exclusion a ainsi été obtenue dans le plan (tan beta, mH±) et est présentée dans la dernière partie de ce manuscrit.

Le quark top a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et D0 dans les collisions proton-antiproton du Tevatron. Aujourd'hui, la quantité de données collectées par chaque expérience est devenue suffisante pour étudier avec precision ce quark très massif. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant deux électrons, deux jets de particules et de l'énergie transverse manquante. Elle utilise un échantillon de données de 1 fb-1 enregistré par l'expérience D0 entre 2002 et 2006.<br />La reconstruction et l'identification des électrons et des jets sont primordiales pour cette analyse, et ont été étudiées dans une topologie où un boson Z est produit en association avec un ou plusieurs jets. Le processus Z+jets constitue en effet le bruit de fond physique dominant pour la production top-antitop dans l'état final diélectron.<br />Le principal enjeu de la mesure de section efficace est la vérification des prédictions du Modèle Standard. Dans ce manuscrit, ce résultat est également interprété pour extraire de façon indirecte la masse du quark top. Par ailleurs, la mesure de la section efficace est sensible à une éventuelle manifestation de nouvelle physique telle que l'existence d'un boson de Higgs chargé. La sélection établie pour mesurer la section efficace de production top-antitop a été mise à profit pour rechercher un boson H+ plus léger que le quark top, ce dernier pouvant ainsi se désintégrer en un boson W+ ou H+ et un quark b. Dans le modèle étudié, le boson H+ se désintègre exclusivement en un lepton tau et un neutrino.

L'introduction du boson de Higgs permet de résoudre le problème de l'origine de la masse des particules dans le modèle standard. A ce jour, il n'a pas encore été déecouvert et les expériences du LEP on établit à 95% de niveau de confiance une limite inférieure sur sa masse à 114.4 GeV. Au Tevatron qui est un collisionneur proton­antiproton, on le recherche produit en association avec un boson $W$, pour une masse inférieure à 135 GeV où la désintégration du boson de Higgs se fait en paire de quark $b\bar{b}$. Notre étude s'est faite dans la cadre de l'expérience $D0$. L'état final de tels événements s'appuie essentiellement sur les signaux du calorimètre et sur l'étiquetage des jets comme provenant de quark $b$ utilisant le détecteur de vertex, le déctecteur de trace à fibre scintillante et le solénoïde qui sont nouveaux pour $D0$ au le Run II. Nous avons étudié la calibration de la chaîne électronique de lecture et l'influence du bruit dans le calorimètre avant d'aborder l'analyse en utilisant une reconstruction calorimétrique optimisée : les électrons, l'énergie transverse manquante ainsi que les jets y sont correctement identifiés et peuvent être utilisés dans une analyse $W (\to e\nu)+$ jets. <br />L'étude du processus $W (\to e\nu)b\bar{b}$ qui est un bruit de fond irréductible du signal de boson de Higgs a été réalisée avec 174 pb$^{-1}$ de données. Elle a permis d'établir une limite supérieure sur sa section efficace de production de 20.3 pb. Cette étude a été suivie par une recherche d'un signal de boson de Higgs pour des masses comprises entre 105 GeV et 135 GeV. Des limites sur les sections efficaces de production multipliées par les rapports d'embranchement de désintégrations ont été obtenues. Pour une masse de boson de Higgs de 115 GeV, nous obtenons une limite supérieure de 12.4 pb.

Cette thèse présente une étude exhaustive des différentes topologies d'événements à grande énergie transverse observés sur le collisionneur électron-proton HERA. L'ensemble des données accumulées par l'expérience Hl entre 1994 et 2000 ont été utilisées, ce qui représente une luminosité intégrée de 118.3 pb-1.<br> Nous avons tout d'abord participé au développement d'un nouvel environnement d'analyse orientée objet, en nous concentrant particulièrement sur la reconstruction des hadrons et des jets hadroniques. Cet environnement, qui est devenu l'outil d'analyse standard de Hl de la phase II de HERA, est mis à l'épreuve dans le cadre de notre sujet.<br> Les événements étudiés regroupent 24 topologies différentes pour lesquelles les spectres d'énergie transverse sont systématiquement étudiés. Un bon accord général au Modèle Standard est observé, mis à part dans quelques canaux à leptons isolés où plusieurs événements atypiques ont déjà été rapportés. La comparaison au Modèle Standard est quantifiée avec l'aide d'une méthode statistique spécifique développée pour l'occasion.

La phase LEP2, à des énergies supérieures au seuil de production des paires de W et de Z, a permis l'étude du secteur le moins contraint du Modèle Standard, le secteur des bosons de jauge.<br> Le travail de cette thèse, en utilisant l'ensemble des données de LEP2 enregistrées par le détecteur ALEPH; consiste en trois mesures fortes sur la validité de ce Modèle Standard :<br> - La mesure de la section efficace ZZ à travers les cinq canaux visibles de désintégration de la paire de Z. La faible statistique associée à la production de paires de Z en fait un processus délicat à discrimer.<br> - La mesure des couplages anomaux neutres dans l'état final ZZ. Ces couplages sont interdits dans le Modèle Standard et leur présence serait signe d'une Physique Nouvelle. Leur extraction utilise l'information sur la section efficace et l'angle de production du Z.<br> - La mesure des états de polarisation longitudinal et transverse des bosons W à travers la production W+W- dans le canal semi-leptonique. L'extraction se fait à partir de la matrice densité de spin ce qui permet d'obtenir des résultats indépendants du modèle utilisé pour décrire le phénomène.<br> Les résultats obtenus dans ces trois domaines de mesure ne présentent pas de déviation significative par rapport aux prédictions du Modèle Standard.

Dans cette thèse, nous étudions certaines des conséquences liées à la brisure de supersymétrie et à sa transmission à basse énergie. Nous nous sommes concentrés sur les modèles où la brisure de supersymétrie est transmise par l'intermédiaire de messagers. Nous avons réussi à construire un modèle à la fois stable et présentant un spectre non-hiérarchique de particules supersymétriques. Nous avons aussi étudié le couplage des messagers au secteur de grande unification, aboutissant à des spectres atypiques dans le cas de la médiation de jauge, comme celui possédant un neutralino ou un gluino plus léger que le reste du spectre (respectivement LSP et NLSP). Nous avons également comparé deux modèles autour du problème de hiérarchie dans le Modèle Standard, l'un utilisant des symétries de jauge horizontales et l'autre des fonctions d'onde hiérarchiques avec dimension supplémentaire. Enfin, nous avons réfléchi à la facon d'utiliser des superchamps contraints pour travailler sur des modèles où la supersymétrie est réalisée de manière non linéaire

Une recherche du boson de Higgs est effectuée dans le canal WW → lνlν en utilisant l'ensemble des données de 2011 à une énergie dans le centre de masse de √s = 7 TeV et une partie des données de 2012 à 8 TeV prises par l'expérience ATLAS auprès du LHC. Les luminosités intégrées correspondantes sont 4.7 fb−1 et 5.8 fb−1, respectivement. L'analyse est effectuée avec des coupures. Plusieurs méthodes sont introduites pour estimer à partir des données la contribution de bruits de fond des différents processus afin de minimiser l'utilisation de simulation. Pour la contribution du bruit de fond top dans le canal dominant avec zéro jet, elle est estimée avec une méthode que nous avons proposée. Une autre méthode pour corriger la forme de la distribution de l'énergie transverse manquante dans les événements Drell-Yan à partir des événements W +jets est également présentée. En 2011, le boson de Higgs du modèle standard avec la masse du Higgs de 133 à 261 GeV est exclue à 95% de niveau de confiance, tandis que la plage d'exclusion prévue est de 127 à 234 GeV. En 2012, un excès d'événements au-dessus du bruit de fond attendu est observé dans une plage de masse autour de 125GeV. En combinant les deux échantillons, la probabilité minimale ("p-value") pour que l'hypothèse bruit de fond seul fournisse autant ou plus d'événements qu'observé dans les données est de 3 × 10−3, ce qui correspond à une signifiance statistique de 2,8 écarts types. Le taux de production mesuré du signal par rapport au taux prédit pour le boson de Higgs du modèle standard à mH = 125GeV est de 1,4 ± 0,5. La probabilité attendue pour un Higgs avec mH = 125GeV est de 0,01, soit de 2,3 écarts types. La limite d'exclusion d'un Higgs dans un modèle avec une quatrième génération est également présentée en utilisant une partie de l'échantillon de données 2011, la gamme de masse entre 120 GeV et 600 GeV a été exclue à 95% de niveau de confiance. Enfin, l'étude sur le temps de dérive dans le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS est effectuée en utilisant tous les échantillons de données du rayonnement cosmique, du faisceau splash et de collision. Les résultats ne montrent aucune non-uniformité significative sur la largeur de l'espace cellulaire mis à part un effet de "sagging" dans les régions de transition dû au poids du calorimètre.

Dans cette thèse, je présente ma contribution à l'observation d'un nouveau boson au LHC avec le détecteur ATLAS dans le canal de désintégration en deux photons. Ce boson est compatible avec le boson scalaire du Modèle Standard longtemps recherché et a une masse de 126.0 +/-0.4 (stat) +/-0.4 (sys) GeV obtenue en combinant les canaux gamma gamma et ZZ. Les données utilisées sont celles collectées par l'expérience ATLAS durant l'année 2011 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et durant les trois premiers mois du run en 2012 avec une énergie de centre de masse de 8 TeV. La luminosité totale correspondante est de ~10 fb-1. L'excès observé a une significance locale de 4.5 sigma dans le canal gamma gamma et de 5.9 sigma en combinant tous les canaux analysés. De même, diverses contributions aux analyses des données, dans le canal H en gamma gamma, depuis l'année 2009 jusqu'en 2012 sont aussi montrées.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal