Ce travail présente la mesure de la section efficace différentielle du boson Z en impulsion transverse (ptz), dans le canal de désintégration electron-positron, avec le détecteur ATLAS au LHC. La mesure utilise 4.64 inverse fb de données de collisions proton-proton, prises en 2011 avec une énergie du centre de masse de 7 TeV. Le résultat est combiné avec une mesure indépendante faite dans le canal muon-antimuon. La mesure est faite jusqu'à ptz = 800 GeV, et a une incertitude typique de 0.5 % pour ptz < 60 GeV, atteignant jusqu'à 5 % vers la fin du spectre. La mesure est comparée avec modèles théoriques et prédictions des générateurs Monte Carlo.

Cette thèse se situe à mi-chemin entre la phénoménologie et la physique de particules expérimentale. Dans la première partie, nous décrivons un calcul de section efficace à order supérieur en développement perturbatif, ainsi que son implementation dans un générateur d'événements Monte Carlo. Nous présentons les corrections au premier order en chromodynamique quantique pour la production de boson de Higgs chargé en association avec un quark top au LHC, en utilisant le formalisme de soustraction de Catani et Seymour. Notre code indépendant nous a permis de valider les résultats donnés par MC@NLO, et nous avons réalisé des études concernant diverses contributions aux erreurs systématiques dues à la simulation d'événements. L'implémention du processus a été réalisée pour le générateur POWHEG. En raison de la quantité de données insuffisante disponible fin 2010 (le détecteur ATLAS a accumulé 35 pb-1 de données de collisions proton-proton), le processus de production de Higgs chargé n'a pas pu être étudié et nous nous sommes tournés vers la caractérisation de bruits de fonds. Dans ce contexte, il s'avère que la production de boson W en association avec un quark top est importante à connaître. Dans la seconde partie de cette thèse, nous mettons en place une analyse spécifique au canal Wt semileptonique, en incluant les effets statistiques et systématiques, pour lesquels nous nous concentrons plus particulièrement sur l'effet dû aux différentes paramétrisations du contenu des protons. Le processus Wt étant inobservable au Tévatron, nous pouvons pour la première fois donner une limite à la setion efficace de production. / This thesis is intended as a bridge between the two highly specialised domains of phenomenology and experimental particle physics. The first part describes in detail a higher order cross section calculation and implementation into a Monte Carlo event generator. We present the calculation of the next-to-leading order (NLO) quantum chromodynamic corrections for charged Higgs boson production in association with a top quark at the LHC, using the Catani-Seymour dipole subtraction method. Building an independent NLO code enabled us to cross-check the implemented version of MC@NLO, and a few studies have been made which focus on different contributions to the theoretical uncertainty attached to the NLO calculation. The actual implementation was performed for another NLO event generator, POWHEG. Considering the small production cross section of charged Higgs production associated with a top quark, an analysis of this channel using the 35 pb-1 of data collected with the ATLAS detector in 2010 from the proton-proton collisions of the LHC, makes no sense, and we switch to a very similar SM channel, namely Wt production. In the second part, we set-up a dedicated analysis for semileptonic Wt and focus on the evaluation of the PDF systematic uncertainty, following the PDF4LHC recommendation. The electroweak single top production cross section at the Tevatron is so low that it hasn't been observed until today, so we are able to set the world's first limit on its production cross section and include the most important systematic uncertainties in our analysis.

La première mesure du spectre en phi*_eta du boson Z à 7 TeV a été réalisée dans cette thèse. Cette variable permet de sonder la dynamique de production des Z de façon fine. L’échantillon complet des données enregistrées par ATLAS en 2011 a été utilisé ce qui correspond à 4.7/fb de luminosité intégrée. Les résultats de cette mesure sont publiés dans la Ref. [18] fondé sur la note interne Ref. [69]. La section efficace différentielle de Z->ee en fonction phi*_eta a été mesurée et comparée aux calculs perturbatifs à ordre fixé, avec/sans resommation pour la région des petits phi*_eta. Le code RESBOS fournit la meilleure description des données, cependant il est incapable de reproduire, à mieux de 4%, la forme détaillée de la section efficace mesurée. La section efficace différentielle a également été comparée aux prédictions de différents générateurs Monte Carlo interfacés avec un algorithme de parton shower. Les meilleures descriptions du spectre en phi*_eta mesuré sont données par les générateurs SHERPA et POWHEG+PYTHIA8. La mesure précise de la section efficace différentielle en phi*_eta fournit des informations précieuses pour l’ajustement des codes Monte Carlo. La précision expérimentale typique de cette mesure (~0.5%) est dix fois meilleure que la précision des calculs théoriques et elle est donc aussi précieuse pour contraindre la théorie. La mesure du spectre en ptZ a également été faite pour quantifier l’incertitude systématique de cette mesure en utilisant la grande statistique de l’échantillon de données. Cela permet de comparer deux mesures qui traitent de l’impulsion transverse du boson Z. Dans la plupart du domaine en phi*_eta l’incertitude systématique de la mesure de ptZ est deux fois plus grande que celle de la mesure de phi*_eta. Cette comparaison confirme l’intérêt de la variable phi*_eta. Les résultats présentés dans cette thèse ont beaucoup d’implications pour les études futures. Ajustant les générateurs Monte Carlo en utilisant les résultats de la mesure précise du spectre en phi*_eta minimisera l’incertitude sur leurs paramètres. Une mesure de la section efficace doublement différentielle en ptZ et phi*_eta est intéressante pour mieux comprendre la corrélation entre ces deux variables. La mesure précise du spectre en ptZ utilisant la variable phi*_eta peut être appliquée au spectre en ptW et on sait que des mesures plus fines du ptW sont importante pour une détermination précise de la masse du boson W. De plus, une compréhension précise du spectre en ptZ est importante pour comprendre les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs. / The first measurement of the phi*_eta spectrum of Z bosons at 7 TeV of pp collisions has been studied in this thesis, which is an alternative way to probe the transverse momentum of Z bosons. The full data sample recorded by the ATLAS detector during 2011 run of the LHC was used, which corresponds with 4.7/fb integrated luminosity. The results of this measurement were reported in Ref. [18] supported by the internal note in Ref. [69]. The differential cross section of Z->ee as a function of phi*_eta has been measured and compared to fixed order perturbative QCD calculations with/without a resummation for the low phi*_eta region. Calculations using RESBOS provide the best descriptions of the data. However, they are unable to reproduce the detailed shape of the measured cross section to better than 4%. The differential cross section was also compared to predictions from different Monte Carlo generators interfaced to a parton shower algorithm. The best descriptions of the measured phi*_eta spectrum are provided by SHERPA and POWHEG+PYTHIA8 Monte Carlo event generators. The precise measurement of the differential cross section as a function of phi*_eta provides valuable information for the tuning of MC generators. The typical experimental precision of this measurement (~0.5%) is ten times better than the typical theoretical precision and therefore is valuable to constrain the theoretical predictions further. The ptZ measurement has been also studied to quantify the systematic uncertainty of this measurement using the high statistic data sample. This allows to compare two measurements which both address the physics issues of the Z transverse momentum. In most of the phi*_eta range, the systematic uncertainty of the ptZ measurement is two times larger than the one of the phi*_eta measurement. This comparison confirms the interest for the phi*_eta variable. The measurements presented in this thesis has many implications for future studies. Tuning MC generators using the result of the precise measurement of the phi*_eta spectrum will minimize the uncertainty on the tuned parameters. A double differential cross section measurement as a function of ptZ and phi*_eta is interesting to understand the correlation between ptZ and phi*_eta variables. The precise measurement of the ptZ spectrum using the new variable phi*_eta can be applied to ptZ. More precise measurement of ptZ are important to obtain precise measurements of the W mass. In addition, a precise understanding of the ptZ spectrum is important to understand kinematic properties of Higgs boson production.