Cette thèse aborde quelques scénarios de nouvelle physique, ainsi que leurs manifestations dans le secteur des leptons.Le fait que les neutrinos soient massifs est un des problèmes non élucidés par le Modèle Standard. Une des solutions possibles est le mécanisme de seesaw, qui fait intervenir de nouveaux états lourds dont la désintégration viole le nombre leptonique. À cause de ce dernier point, ces états peuvent jouer un rôle clé dans la leptogenèse, un des scénarios susceptibles d'expliquer l'origine de l'asymétrie observée entre matière et antimatière dans l'univers. Nous étudions ici la leptogenèse avec un triplet scalaire et nous intéressons tout particulièrement l'impact des effets de saveur.Dans un second temps, nous considérons des théories supersymétriques. Nous étudions un modèle où le partenaire fermionique d'un pseudo-boson de Goldstone joue le rôle d'un neutrino stérile, qui pourrait expliquer certaines anomalies expérimentales. Enfin, pour être viable, la supersymétrie doit être brisée dans un secteur caché, et cette brisure doit ensuite être transmise aux champs de la théorie à basse énergie. Un des scénarios les plus élégants pour cela est la médiation de jauge. Malheureusement, celle-ci peine à reproduire la masse du boson de Higgs mesurée au LHC. Nous nous intéressons ici à des extensions susceptibles de réhabiliter ce scénario tout en le reliant mécanisme de seesaw. / This thesis addresses some scenarios of new physics as well as their consequences on the lepton sector. The fact that neutrinos are massive is one of the problems left unsolved by the Standard Model. One of the possible solutions is the seesaw mechanism, that involves new heavy states whose decay violates lepton number. Because of this, these states can participate in leptogenesis, one of the scenarios that could explain the origin of the asymmetry between matter and antimatter in our universe. Here, we study leptogenesis with a scalar triplet and consider especially the impact of flavour effects. After that, we turn to supersymmetric models. We consider a model in which the fermionic partner of a pseudo-Goldstone boson, associated to a symmetry broken at high energy, plays the role of a sterile neutrino, that could explain some experimental anomalies. Finally, to be viable, supersymmetry should be broken in a hidden sector, and this breaking should be transmitted to the fields of the low energy theory. One of the most elegant scenarios for this is gauge mediation. Unfortunately, it cannot easily reproduce the mass of the Higgs boson measured at LHC. We study here extensions that could rehabilitate this scenario and relate it to the seesaw mechanism.

This thesis describes a series of studies related to searches for new phenomena, beyond the Standard Model of particle physics, in high energy hadron collisions. In such searches, it becomes crucial to identify the Standard Model backgrounds in order to resolve a potential new signal. The thesis presents a method that uses photon events to determine one of such backgrounds, caused by the production of Z boson events. The studies performed to validate the method, both theoretically and experimentally, are presented and the method was shown to be successful as well as to provide reliable results. Theoretically, the method is found to be robust up to a ~10% uncertainty. Experimentally, the method is implemented to estimate the Z(vv) + jets background for the SUSY 0l + E_T^miss + jets search in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider, where this background is one of the most important components for the final sensitivity and is impossible to measure directly. The main experimental results presented are the latest from ATLAS at the time of writing, corresponding to the full dataset of proton-proton collisions delivered by the LHC in 2011 (4.7 fb^-1) at a centre of mass energy of 7 TeV. Given that this method has been mainstream since 2010, brief comparisons to the results from previous analyses that used smaller datasets with the same centre of mass energy are also given, as well as additional cross-checks that support the robustness and validity of the method. The results presented here have contributed to the determination of the world's best limits with respect to SUSY models, which currently exclude equal mass squarks and gluinos below 1.4 TeV.

Malgré son impressionnant succès, le modèle standard de la physique des particules ne rend pas compte de toutes les observations expérimentales. De plus, des interrogations théoriques intrinsèques à sa formulation demeurent et requièrent des explications plus fondamentales. Par conséquent, au lieu d'être une théorie ultra-violette, le modèle standard doit plutôt être vue comme une description effective, valide à basse énergie, d'une théorie plus fondamentale et de la nouvelle physique devrait être introduite. On considère deux approches pour introduire la nouvelle physique. Dans la première, on étend le modèle standard avec seulement quelques nouveaux états en assumant que les états plus lourds sont découplés de l'échelle électro-faible. Cette approche est principalement phénoménologique car par hypothèse, les extensions que l'on considère sont une manifestation à basse énergie d'une théorie plus complète. On se concentre en particulier sur de nouveaux fermions car ils sont une prédiction commune à un ensemble de théories au delà du modèle standard fortement motivés. L'objet principal de cette approche est d'étudier l'effet de ces nouveaux fermions à la lumière des mesures récentes des couplages du Higgs. La seconde approche est plus théorique, elle est basée sur une théorie ultra-violette. On se concentre sur le modèles de Higgs composite qui ont pour vocation de résoudre le problème de hiérarchie de l'échelle électro-faible. Les modèles de Higgs composite étant réalisés dans le cadre d'un nouveau secteur fortement couplé constitué de nouveaux fermions fondamentaux, on étudie la dynamique non-perturbative avec le modèle de Nambu et Jona-Lasinio. On dérive par exemple dans ce contexte le spectre des résonances les plus légères que l'on pourra peut-être observer dans un proche futur au LHC ou à d'autre collisionneurs. / Despite its impressive success, the standard model of particle physics does not account for every experimental observations.In addition, it has some theoretical puzzles in its formulation that seem to require more fundamental explanations.Then, instead of an ultra-violet complete theory, the standard model should rather be viewed as an effective description of a more fundamental theory and new physics should be introduced.We follow two different approaches of new physics.In the first one, we extend the standard model by only few new states assuming that the heavier states are decoupled from the electro-weak scale.This approach is mostly phenomenological as by hypothesis the extensions that we consider are a low energy manifestation of a more complete theory.We particularly focus on new fermions as they are a common prediction of a lot of well-motivated beyond the standard model theories.The main purpose is to study the effect of these new fermions in light of the recent Higgs couplings measurements.%The second approach has a more theoretical origin and is based on an ultra-violet complete theory.We focus on composite Higgs models that aim to solve one theoretical puzzle of the standard model, that is, the hierarchy problem of the electro-weak scale.The composite Higgs paradigm being realised by a new strongly interacting sector made of new fundamental fermions, we study the non-perturbative dynamics using the Nambu and Jona-Lasinio model.We derive for instance the spectrum of the lightest resonances which could be observed in a near future at the LHC or at some other colliders.

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

This thesis describes searches for new heavy resonances that decay into dielectron final state and searches for new physics in the top quark sector. The standard model of elementary particle is introduced in the first chapter. After that, a selection of theories beyond the standard model that predict the existence of new massive resonances are described together with an introduction to the effective field theory that is used to search for new physics in top quark sector. Then, the Large Hadron Collider (LHC) and the Compact Muon Solenoid (CMS) detector are introduced, and the techniques used in order to reconstruct the particles produced in the collisions are discussed afterwards. Finally, two separate analyses are presented.The first analysis is searching for new heavy resonances using dielectron final state. As some beyond Standard Model theories predict the existence of new heavy resonances that can decay into dielectron pair, such as the grand unified theories and theories that introduce extra space-like dimensions. An observation of a local “bump” in the dielectron invariant mass spectrum will be an evidence for the existence of a new heavy resonance. The data used is from CMS experiment collected in 2016 with 35.9 fb-1 and in 2017 with 41.4 fb-1. The event selection is optimized in order to be highly efficiency for high energy electron and avoid loosing potential signal events. The leading background is the Drell-Yan process and it is estimated from simulation. The sub-leading background is from ttbar and ttbar-like processes and it is estimated from simulation also. A data-driven method is used to validate the simulation of sub-leading background. The last background from quantum chromodynamics processes is determined by data-driven approach. After having inspected the final dielectron invariant mass spectrum, no significant excess over the standard model background is observed, and upper limit at 95% confidence level is set on the ratio of production cross-section times branching ratio of a new resonance to the one at the Z boson peak.The second analysis is the search for new physics in the top quark sector with dielectron and dimuon final states using data collected by the CMS experiment in 2016 with 35.9 fb-1. Because of its high mass and close to electroweak symmetry breaking scale, the top quark is expected to play an important role in several new physics scenarios. The new physics in top quark pair production and in single top quark production in association with a W boson are investigated and a dedicated multivariate analysis is used to separate these two processes. No significant deviation from the standard model expectation is observed. Results are interpreted in the framework of an effective field theory and constraints on the relevant effective couplings are set at 95% confidence level. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Das Modell einer vierten Familie konnte bis heute aufgrund von theoretischen Argumenten nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die Suche nach einem Down-artigen Quark der vierten Familie mit dem folgenden angenommenen Zerfall: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X vorgestellt. Für diese Analyse wird eine integrierte Luminosität von 2.05 fb−1 verwendet, aufgenommen mit dem ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7TeV für die Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider. In der Analyse werden Ereignisse mit zwei gleich geladenen Leptonen (e oder mu) in den Endzuständen selektiert, was eine seltene Signatur im Standard Modell darstellt. Neben einer verwendeten Standardselektierung für die Ereignisse, entnommen aus der ATLAS Top-Quark Analyse, wird eine Optimierung der Schnitte mit einer multivariaten Analyse durchgeführt. Des Weiteren werden systematische Unsicherheiten studiert, die durch die Partonendichteverteilungsfunktion sowie durch Abstrahlung von Teilchen wie Gluonen im Anfangs- und im Endzustand bei der Simulation mit dem Monte Carlo Generator entstehen. Mit den selektierten Ereignissen in der Signalregion von zwei gleich geladenen Leptonen wird durch eine Zählanalyse die Anzahl gemessener Signalereignisss extrahiert. Mit diesen Signalereignissen wird dann die untere Massenausschlussgrenze des b''-Quarks mit einer modifizierten Frequentistmethode bestimmt. Das Ergebnis zeigt, dass mit einem angenommenem Verzweigungsverhältnis von 100 % für den Zerfall b'' -> t + W alle Massen unterhalb einer Grenze von 461 GeV mit einem 95 % Konfidenzintervall ausgeschlossen sind. / The model of a fourth generation is currently not excluded by theoretical arguments. In this thesis a search for a fourth generation down-type quark is presented with the decay hypothesis: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X The search is performed with an integrated luminosity of 2.05 fb−1 , obtained with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider running proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7TeV. Events for the analysis are selected with a search signature of two same-sign charged leptons (e or mu) in the final state, which is a rare Standard Model signature. Beside using the standard event selection from ATLAS top analyses, the event selection criteria are optimized with a multivariate analysis in order to maximize the significance. Furthermore, systematic uncertainties are studied coming from the parton distribution function as well as the initial and final state radiation. With the selected events in the signal region of two same-sign leptons, the signal is extracted via a counting method. The extracted signal is used for the determination of the mass limit of the fourth generation down-type quark with a modified frequentist method. Assuming a branching ratio of 100 % for the decay b'' -> t+W , b'' masses below 461 GeV are excluded at 95 % confidence level.

In this thesis, the clean angular observables in the $\bar{B} \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_{\ell}$ angular distribution is studied. Similar angular observables are widely studied in $B \to K^* \mu^+ \mu^-$ decays. We believed that these angular observables may have different sensitivities to different new physics structures.

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

Orientador: Prof. Dr. José Kenichi Mizukoshi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2016. / Searches for new physics beyond the Standard Model are important subjects at the current Run-2 of the Large Hadron Collider (LHC) and next generation colliders. In this context, we make independent studies of the phenomenology of a new hypothetical heavy Majorana neutrino (N) and a heavy spin-1 charged vector (W¿) at the LHC and a future 100 TeV very large hadron collider (VLHC), we also study the potential of the future International Linear Collider (ILC) to measure the rare h ! Z Higgs decay. Toward this end, the N production via the W fusion process is investigated and found it to be larger than the Drell-Yan production for mN > 1 TeV at the 14 TeV LHC and for mN > 770 GeV at the 100 TeV VLHC. Then we computed the discovery potential of the these colliders to discover an N using the same-sign dimuon channel. In the case of the h ! Z Higgs decay we investigated the Higgsstrahlung production at the 250 GeV ILC, we found that a sensitivity of 58% can be reached in the inclusive ¿Ê¿Ê X channel with 3 ab.1, where X denotes the inclusive decay of the Z boson from the Higgs. Finally, in the case of the W¿, we studied its contribution to the h ! Higgs decay process and constrained the strength of the W¿W¿h interaction. Finally, we study the Drell-Yan W¿ production with its decay to the Wh pair at the LHC.

Pendant mes trois ans de doctorat j'ai eu le plaisir de travailler sur trois projets très variés ayant un but commun: mieux contraindre certains modèles de nouvelle physique entre cosmolo- gie et le LHC. Le fait que les densités reliques de matière noire et de baryons sont similaires semble indiquer qu'il y a un lien entre les deux. Nous essayons d'expliquer les valeurs observées en reliant un modèle de leptogenèse au miracle des WIMPs, qui produit naturellement la bonne densité relique. Si l'asymétrie baryonique est produit dans des désintégrations hors équilibre à l'échelle électro-faible et si la matière noire est constituée de WIMPs, les deux densités reliques sont con- trôlées par des processus électro-faibles hors équilibre. Je construis un modèle de leptogenèse à l'échelle du TeV en utilisant une extension du type seesaw inverse du modèle standard avec des singlets additionnels. Pour produire suffisamment d'asymétrie baryonique il faut une violation CP ∼ O(1) qui est difficile à obtenir dans mon cadre. Les axions, tout comme les WIMPs sont de bons candidats de matière noire bien motivés. Il serait très utile de pouvoir les distinguer. Sikivie argumente que si des axions sont dans un condensat de Bose-Einstein, alors ils forment des halos galactiques différents des halos de WIMPs. D'après Sikivie ce sont les interactions gravitationnelles qui thermalisent les axions et qui les condensent. La formation d'un condensat nécessite la génération d'entropie qui ne peut pas être fourni par les interactions gravitationnelles au premier ordre. J'étudie la génération d'entropie par les interactions gravitationnelles en estimant une longueur de dissipation dans le fluide d'axions qui vient de la présence d'une pression anisotrope. Je ne peux pas confirmer la thermalisation rapide d'axions causé par leurs interactions gravitationnelles. Des nouveaux bosons de jauges comme le Z' apparaissent dans un grand nombre d'extensions du modèle standard. On les recherche le plus souvent comme une résonance dans le spectre de masse invariante de leurs produits de désintégration. Le Z' doit être produit sur couche de masse dans ces recherches résonantes. Mais la présence d'un Z' peut aussi influencer d'autres observ- ables cinématiques sans être produit directement, ce qu'on peut utiliser dans des recherches non-résonantes. Je compare ces deux types de recherches au LHC et trouve que pour des petits couplages les recherches résonantes sont plus adaptées mais pour de plus grandes masses et couplages les recherches non-résonantes sont plus performantes / During the three years as a PhD student I had the pleasure to work on three major projects which are united in the goal to better constrain new physics models between cosmology and the LHC. The similar values of dark matter and baryon relic abundances raise the question whether there is a link between them. We attempt to explain the observed values by relating leptogenesis to the WIMP miracle which gives naturally the right relic abundance. If the baryon asymmetry is produced in electroweak-scale-out-of-equilibrium decays and dark matter is made of WIMPs, both relic densities are controlled by electroweak scale interactions going out of equilibrium. We construct a TeV-scale leptogenesis model using an inverse-seesaw extension of the SM with additional singlets. To produce a large enough asymmetry we require CP violation ∼ O(1) which is difficult to achieve in our set-up. Axions as well as WIMPs are well motivated dark matter candidates. It would be very useful to be able to tell them apart. Sikivie argues that if axions are in a Bose-Einstein condensate they could form a different galactic dark matter halo than WIMPs and that gravitational interactions drive axions into a Bose-Einstein condensate. However for the formation of such a condensate entropy generation is needed which leading order gravitational interactions do not provide. We explore the entropy generation of gravitational interactions by estimating a dissipation scale in the axion fluid due to the presence of a anisotropic stress. We cannot confirm a fast gravitational thermalisation rate. New neutral gauge bosons like the Z' are generic extensions of the standard model which appear in many different models. Traditionally these particles are searched for in resonant searches at colliders, i.e. by producing the particles on-shell and looking for a resonance in the invariant mass spectrum of their decay products. However the presence of a Z' can also affect other kinematic observables without being actually produced on-shell, i.e. non-resonant searches. We compare compare resonant and non-resonant searches at the LHC and find that while for small couplings resonant searches are more sensitive, for larger couplings non-resonant searches are more efficient