The Large Hadron Collider is the most powerful particle accelerator built to date. It is a proton-proton and heavy ion collider which in 2015 and 2016 operated at an unprecedented center of mass energy of √s = 13 TeV. The Tile Calorimeter is the ATLAS hadronic calorimeter covering the central region of the detector. It is designed to measure hadrons, jets, tau particles and missing energy. In order to accurately be able to properly reconstruct these physical objects a careful description of the electronic noise is required. This thesis presents the work done in updating, monitoring and studying the noise calibration constants used in the processing and identication of hadronic jet in the 2011 data. Moreover the results of the searches for compressed supersymmetric squark-neutralino and large extra dimensions models are also presented in this thesis. The present work uses an experimental signature with a high energy hadronic jet and large missing transverse energy later often referred to as monojet signature. The search for supersymmetry is carried out using an integrated luminosity of 3.2 fb-1 recorded by the ATLAS experiment in 2015. The search for large extra dimensions presented in this work uses the full 2015 + 2016 dataset of 36.1 fb-1. No signicant excess compared to the Standard Model prediction has been observed on the production of squark pairs with the subsequent decay of the squark in a quark and a neutrino. Exclusion limits are set on squark production as a function of the neutralino mass. Squark masses up to 608 GeV are excluded for a mass difference between the squark and the neutralino of 5 GeV. In the second search for the presence of large extra spatial dimensions in the Arkani-Hamed, Dimopoulos and Dvali model scenario a good agreement between data and Standard Model prediction is observed and exclusion limits are set on the effective Planck scale MD of 7.7 and 4.8 TeV for two and six hypothesized large extra dimensions respectively signicantly improving earlier results.

The Standard Model of particle physics is a successful theory, yet it is incomplete. Supersymmetry is one of the favoured extensions of the Standard Model, elegantly addressing several unresolved issues. This thesis presents a search for the pair production of supersymmetric particles chargino one and neutralino two, where the neutralino two decays to the lightest neutralino and the 125 GeV Higgs boson. The final states considered for the search have large missing transverse momentum, an isolated lepton and two jets identified as originating from bottom quarks. The analysis is based on 20.3 inverse femtobarns of 8 TeV proton-proton collision data delivered by the Large Hadron Collider and recorded with the ATLAS detector. No excess over Standard Model predictions is observed. The analysis has been combined with three independent searches that probe other decay modes of the Standard Model Higgs boson. Limits are set at 95% confidence level in the context of a simplified supersymmetric model. Common masses of chargino one and neutralino two are excluded up to 250 GeV for a massless neutralino one. The analysis of this dissertation has been reinterpreted in the context of a large scan of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model, along with 22 other ATLAS Run 1 searches. The resulting summary paper represents the most comprehensive assessment of the ATLAS constraints on Supersymmetry models to date. / Graduate / 0798 / cdavid@uvic.ca

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE. / Experimental measurements show that only 4\% of the mass-energy density of the universe is made of atomic matter. Dark matter and dark energy are responsible for 24\% and 71\% of the mass-energy density. The theory of supersymmetry predicts a new set of particles. The neutralino, which is the lightest stable particle, is one of the favorite candidates for dark matter. The Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects (PICASSO) seeks dark matter using superheated droplets detectors (SDD). A phase transition occurs when a particle interact with a C$_4$F$_{10}$ droplet and deposits enough energy within a certain critical radius. An acoustic wave is created during this phase transition and piezoelectric sensors transform this acoustic signal into an electrical signal. This signal is then amplified, digitised and recorded for further analysis. In this work is presented a study on superheated droplets detectors aiming in particular at an improvement of the alpha background discrimination. The data acquisition system has been tested in order to check the coupling between the piezoelectric sensors and the acrylic wall of the detector, the efficiency of the amplifier gain of the piezoelectric sensors and the effect of the gain on the quality of the signal. The SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) experiment stated that they could obtain a 97\% discrimination of the alpha background using superheated droplets detectors and electric microphones. This work concludes that PICASSO detectors are not sensitive to this effect. Finally, a small droplet detector has been studied and it has been concluded that a small droplets site does not improve the alpha background discrimination.

Le modèle standard de la physique des particules a été développé dans les années 1970. Malgré de grands succès expérimentaux, il présente des problèmes qui ne peuvent être résolus qu'avec des extensions du modèle. La supersymétrie est un candidat particulièrement intéressant, qui postule simplement une symétrie supplémentaire entre bosons et fermions. En plus d'apporter des réponses dans le domaine de la physique des particules, la supersymétrie trouve des applications intéressantes en cosmologie. Elle contient des candidats possibles à la matière noire, qui représente 25\% de la densité d'énergie de l'Univers et dont la nature est inconnue. Un autre problème cosmologique intéressant est celui des problèmes du lithium dans le cadre de la nucléosynthèse primordiale décrivant la production des éléments légers dans les premières secondes de l'Univers après le Big Bang. Les abondances de lithium prévues par la théorie sont incompatibles avec les observations. J'étudie ici un scénario où une particule supersymétrique, le gravitino, est un candidat à la matière noire et la production de cette particule par désintégration d'autres particules supersymétriques permet de résoudre les problèmes du lithium.

Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3<br />dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.

De nombreux arguments astrophysiques sont en faveur de l'existence de matière sombre non-baryonique dans l'Univers. Le neutralino, postulé par les extensions supersymétriques du modèle standard de la physique des particules, constitue l'un des candidats privilégiés à cette masse manquante. La détection de neutralinos peut être directe, par interaction dans le détecteur, ou indirecte, via la recherche des produits d'annihilation. Dans le cadre de la détection indirecte, le travail a été effectué au sein de la collaboration AMS dont la première phase a eu lieu en juin 1998 à bord de la navette Discovery. Le spectromètre AMS est équipé d'un détecteur Cherenkov à seuil (ATC) dont les performances ont été étudiées dans le but d'optimiser la sélection d'antiprotons. Le spectre de ces derniers peut en effet signer la présence de neutralinos. Une analyse des données antiprotons d'AMS est également présentée. Finalement, une étude phénoménologique permet d'évaluer le potentiel de découverte par cette méthode. D'autre part, cette thèse porte sur le développement d'un projet de nouveau détecteur (MACHe3) pour la détection directe de neutralinos. Il s'agit d'un bolomètre à He3 superfluide, fonctionnant à ultra-basses températures. L'analyse des données expérimentales de la cellule prototype est présentée. Afin d'optimiser la configuration du détecteur pour la détection directe, une simulation Monte Carlo a été développée, permettant d'évaluer ses performances futures. La confrontation de la simulation et des prédictions des modèles supersymétriques démontre le potentiel de découverte de MACHe3 et souligne sa complémentarité avec les détecteurs existants.

L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid), construite sur l'anneau du LHC (Large Hadron Collider), enregistre des données provenant des collisions proton-proton depuis 2 ans. L'alignement entre toutes les couches du trajectographe, sous-détecteur de CMS permettant la reconstruction et la mesure de l'impulstion des particules chargées, est effectué à l'aide de traces de particules créées lors de la collision et des traces créées par le passage de muons d'origine cosmique à travers ce détecteur. La première partie de ce livre sera dédiée à la reconstruction des traces de ces muons lors des collisions. Une nouvelle méthode, appelée reconstruction cosmique régionale, a été développée et mise en place. L'efficacité de 69% et le taux de faux de l'ordre de 1% permettent l'utilisation de ces traces pour l'alignement. La deuxième partie, portant sur l'analyse des données de collision, s'intéressera à la recherche de particules prédites par un modèle d'extension du Modèle Standard, la Supersymétrie, dans un scénario particulier, le scénario du Stop Léger. Dans le cas d'un fort mélange dans la troisième génération de squarks, le stop, partenaire supersymétrique du quark top, peut être léger. Dans l'analyse effectuée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au cas au mstop < mtop. Dans le MSSM avec conservation de la R-parité, le gluino serait formé par paire et se désintégrerait en un squark stop et un quark top. Le stop se désintégrerait quant-à-lui en un quark c et un neutralino, particule supersymétrique la plus légère du modèle, stable et interagissant faiblement. Aucun excès par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été relevé en utilisant les 40pb-1 de données enregistrées par CMS en 2010. Les limites obtenues à 95% de niveau de confiance permettent d'exclure des masses de stop jusqu'à 175 GeV pour des masses de gluinos allant jusqu'à 350 GeV et des faibles différences de masses entre le stop et le neutralino.

La supersymétrie est une extension possible du modèle standard. Il faut en maîtriser autant les aspects formels que la phénoménologie caractéristique pour espérer découvrir si c'est une symétrie choisie par la nature. La supersymétrie offre un candidat privilégié pour la matière noire : le neutralino le plus léger , un des enjeux actuels est de comprendre au mieux les spectres d'annihilation de neutralinos produisant des particules détectables. Ainsi, le canal Zh est important de par la nature dure de son spectre. Cependant, la section efficace d'annihilation de neutralinos dans ce canal est supprimée quand la supersymétrie est brisée. L'annulation de ce canal est alors à chercher dans des phénomènes connus pour le MS : indépendance de jauge et unitarité UV de la théorie. En outre, la suppression est liée au caractère Majorana des neutralinos , mais aussi à la limite d'annihilation au repos, qui confère une polarisation au boson Z. Le même phénomène de polarisation est mis en évidence pour l'annihilation en WW. Néanmoins, la polarisation des W ne supprime pas le canal mais modifie la forme des spectres de ses produits de désintégration qui pourraient être détectés.<br />D'un point de vue plus formel, les différentes représentations sur le super-espace du multiplet (0,1/2) sont passées en revue. Nous nous concentrons sur deux représentations spécifiques, le multiplet de 3-forme et le multiplet X. Le premier nous permet de réaliser un mécanisme de brisure de supersymétrie de type O'Raifeartaigh, sans singlet dans le superpotentiel. Le second multiplet contient les propriétés d'une brisure de supersymétrie. Nous mettons en évidence une relation de dualité entre ces deux représentations.

Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le plus étudié des modèles de Nouvelle Physique, contient un candidat à la matière noire : le neutralino. Un des mécanismes qui permet de réduire la densité relique de neutralino jusqu'à l'intervalle expérimental de WMAP et de Planck est la coannihilation entre le neutralino et le stop. Dans cette thèse nous étudions deux aspects différents liés à la prédiction de la densité relique dans la région de coannihilation neutralino-stop, ainsi qu'au calcul des sections efficaces d'annihilation et de coannihilation correspondantes. Nous présentons tout d'abord la matière noire en tant que WIMP ainsi que le Modèle Standard de la Physique des Particules, puis nous abordons le MSSM ainsi la phénoménologie de la densité relique de neutralino. Nous étudions ensuite la phénoménologie de la violation de saveur non minimale dans le secteur des squarks dans le contexte de la densité relique de neutralino. Nous considérons des termes violant la saveur dans le secteur des squarks up et down de chiralité droite et de troisième génération et montrons qu'ils peuvent avoir un impact important sur les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation du neutralino, et en conséquence sur la densité relique. Finalement, nous nous intéressons à la possibilité d'améliorer la précision avec laquelle la densité relique est prédite, en calculant les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation à l'ordre supérieur dans la théorie des perturbation. En se basant sur des travaux antérieurs qui ont montré que l'impact des corrections SUSY-QCD à une boucle pour l'annihilation de neutralino était supérieur à l'incertitude expérimentale, nous avons calculé de telles corrections dans le cas de la coannihilaiton neutralino-stop en bosons de jauge électrofaibles et bosons de Higgs.

Le Modèle Standard de la physique des particules a été renforcé par la récente découverte du très attendu boson de Higgs. Le modèle standard cosmologique a lui relevé le défi de la haute précision des observations cosmologiques et des expériences d'astroparticules. Toutefois, ces deux modèles standards sont encore confrontés à plusieurs problèmes théoriques, comme le problème de naturalité dans le secteur de Higgs du Modèle Standard, ainsi que des problèmes observationnels à l'image des nombreuses preuves de l'existence d'un genre inconnu de matière, appelé Matière Noire, qui représenterait la majeure partie du contenu en matière de l'Univers. Les tentatives visant à résoudre ces problèmes ont conduit au développement de nouveaux modèles physiques au cours des dernières décennies. La Supersymétrie est un de ces modèles qui traite du problème du réglage fin dans le secteur de Higgs et fournit de bons candidats à la Matière Noire. Les expériences actuelles de physique des hautes énergies et de haute précision offrent de nombreuses possibilités pour contraindre les modèles supersymétriques. C'est dans ce contexte que cette thèse s'inscrit. En considérant le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), l'extension supersymétrique la plus simple du Modèle Standard, et son candidat à la Matière Noire, le neutralino, il est montré que les contraintes obtenues en collisionneur pourraient fournir des informations sur une période de l'Univers jeune, l'ère inflationnaire. Il est également démontré que la Détection Indirecte de Matière Noire, en dépit de plusieurs inconvénients, peut se révéler être une technique efficace pour explorer les modèles de Matière Noire supersymétrique. Au-delà du MSSM il est montré que des caractéristiques uniques du candidat à la Matière Noire dans le NMSSM peuvent être explorées aux collisionneurs. L'étude d'un modèle supersymétrique avec une symétrie de jauge étendue, le UMSSM, est également développée. Les caractéristiques d'un autre candidat de la matière noire de ce modèle, le sneutrino droit, sont analysées. Des contraintes plus générales telles que celles provenant d'observables de basse énergie sont finalement prise en compte.