La réévaluation théorique du flux d'antineutrinos émis par les réacteurs nucléaires a révélé un déficit de 6% entre le flux observé et le flux attendu. Cette anomalie des antineutrinos de réacteur est significative à 2.7 σ, et une possible interprétation de ce résultat est l'existence d'un état stérile léger du neutrino vers lequel les neutrinos pourraient osciller à très courte distance. Le projet STEREO présenté dans ce manuscrit a pour objectif de prouver ou d'infirmer l'existence d'une telle oscillation.L'expérience est installée près (~10 m) du cœur compact du réacteur de recherche de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble, France, qui produit un important flux d'antineutrinos électroniques avec une énergie comprise entre 1 et 10 MeV. Le volume utile du détecteur STEREO consiste en une structure de 2 m3 segmentée en six cellules identiques remplies de scintillateur liquide dopé au gadolinium et alignées dans la direction du cœur. La détection s'effectue à l'aide de la réaction beta-inverse.Cette configuration offre une excellente sensibilité à une éventuelle oscillation à courte distance en mesurant la distorsion relative du spectre des antineutrinos dans chaque cellule en fonction de l'énergie et de la distance.Les lignes expérimentales de faisceaux de neutrons de l'ILL produisent un fort bruit de fond qui a été caractérisé à l'occasion de plusieurs campagnes de mesure. Leur analyse a permis de valider le design des lourds blindages passifs installés autour du détecteur et de la zone d'installation pour modérer leurs effets sur l’expérience STEREO.De plus, un détecteur supplémentaire est installé au-dessus de STEREO pour signaler la présence d'un muon issu du rayonnement cosmique et définir un veto aux mesures physiques. Ces muons, lors de leur passage à travers les blindages du détecteur, peuvent produire des neutrons rapides capables d’imiter le signal attendu par les antineutrinos. Il est donc essentiel de définir un veto qui soit le plus efficace et homogène possible.Il prend la forme d'une cuve de 2.5 m3 remplie d'eau dont la détection est basée sur l’effet Tcherenkov. Cette lumière émise par le passage des muons est récoltée sur 20 tubes photomultiplicateurs répartis au-dessus de la cuve et un additif est rajouté dans l'eau pour améliorer la collection de lumière sur les photomultiplicateurs.Ce veto à muons couvre complètement le détecteur STEREO ainsi que ces blindagesL'étude de plusieurs configurations de ce veto à muons sous la forme de prototypes avant la construction de l'instrument final a permis de définir une méthode de déclenchement du signal pour les muons extrêmement efficace tout en conservant une sensibilité réduite aux autres particules. Ces nombreux tests ont par ailleurs permis la validation et l'optimisation de l'électronique développée pour l'expérience au LPSC qui est la même pour le détecteur STEREO et pour le veto à muons.Après avoir caractérisé le flux de muons sur place et l'efficacité du veto à muons, une simulation a été développée et a permis d'évaluer le nombre de faux événements dus à ces neutrons. Ainsi, ce résultat a confirmé les prérequis scientifiques de l'expérience, à savoir la capacité à sonder l'anomalie des antineutrinos de réacteur en 300 jours de données réacteur.Le détecteur est actuellement en place sur site et prévoit de livrer ses premiers résultats fin 2016. / The re-evaluation of the theoretical antineutrino flux emitted by nuclear reactors revealed a deficit of about 6% between the observed flux and the expected one. This so-called reactor antineutrino anomaly has a statistical significance of 2.7σ, and one possible explanation to this deficit could be the existence of a light sterile neutrino state into which reactor antineutrino oscillate at very short distances. The STEREO project, which will be presented in this thesis, aims to find an evidence of such oscillation.The measurement will take place at only few meters (~10 m) from the compact core of the Institut Laue-Langevin (ILL) research reactor in Grenoble, France, which provides a large flux of electron antineutrinos with an energy range from 1 to 10 MeV. The sensitive volume of the STEREO detector is 2m3 of organic liquid scintillator doped with Gadolinium, consisting of 6 cells stacked along the direction of the core and detecting anti-neutrinos via inverse beta decay.This setup will provide excellent sensitivity to short-baseline oscillations effects by precisely measuring any relative distortion of the antineutrino spectrum as a function of both energy and baseline.Close proximity to the reactor yield a high background environment from nearby experiments that is managed through heavy shielding surrounding the detector. Many measurements campaign has been performed to characterized this background and had allowed the improvement of the passive shielding design installed on-site.Moreover, an additional detector is settled above STEREO to tag the presence of an incoming cosmic muon and define a muon veto. These muons will produce fast neutrons during their interaction through the shieldings of STEREO and these neutrons can mimick the expected antineutrino signal. Therefore it is crucial to define the most efficient and homogenous veto to these muons.It consists of a tank of 2.5m3 of water detecting muons by their Cerenkov radiation. The light emitted is collected thanks to 20 photomultipliers positionned at the top of the tank and a chemical compound is added into the water to improve the light collection on the photomultipliers.This muon veto fully covers the STEREO detector along with its shieldings.Several configurations of the muon veto system using prototypes before the final instrumental has allowed to define a trigger system which allows an excellent efficiency to cosmic muons regarding a little sensitivity to others particles. These numerous tests were also used to check and optimize the dedicated electronics builded at LPSC, which is the same for both the STEREO detector and muon veto.After characterization of the muon flux on site and with respect to the muon veto efficiency, a simulation has been developped to evaluate the rate of fake antineutrino event expected from the muon-induced fast neutrons. Thus, this result has confirmed the scientific requirements of the experience, which is the ability to probe the reactor antineutrino anomaly in 300 days of reactor data.STEREO is at the moment being comissionned and will deliver his first results at the end of 2016.

Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

D'après le Modèle standard, l'asymétrie CP dépendante du temps est la même dans les canaux de désintégration Bd0 -> J/Psi KS0 et Bd0 -> Phi KS0 et donne accès à sin(2 beta). Un écart entre les asymétries CP mesurées dans ces deux canaux signerait la présence phénomènes au-delà du Modèle standard. Ma thèse étudie la sensibilité de l'expérience LHCb à une telle différence en estimant l'erreur statistique avec laquelle elle mesurera sin(2 beta) dans le canal Bd0 -> Phi KS0. Le nombre d'événements de bruit de fond simulés est trop faible en regard de la statistique annuelle pour obtenir des évaluations précises. Nous avons développé plusieurs approches pour améliorer ces évaluations. Cette étude a été menée dans le cadre du détecteur LHCb classique, puis dans celui du détecteur réoptimisé. Nous prédisons dans les cas les plus optimistes une erreur statistique sur sin(2 beta) de 0.56 dans le cadre classique et de 0.29 dans le cadre réoptimisé.

Il est clair que le Modèle Standard des particules élémentaires n'est pas complet. Parmi tous les indices d'une physique au-delà du Modèle Standard, la masse des neutrinos, l'asymétrie matière-antimatière de notre Univers et la matière noire constituent les trois contextes généraux de cette thèse.Le fait que les neutrinos soient massifs constitue la plus claire évidence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La masse des neutrinos peut trouver une explication notamment dans le cadre des modèles favoris dits "modèles Seesaw". Ces modèles, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos, génèrent aussi des processus dans lesquels la saveur d'un lepton chargé est changée, comme la désintégration d'un muon en un électron et un photon, ou la conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome sans émission de neutrino. Ces processus sont importants car les expériences futures devraient atteindre des sensibilités impressionnantes sur leurs taux, mais aussi parce que leur observation confirmerait l'existence d'une physique nouvelle et pourrait peut-être discriminé parmi les différents modèles. Il est donc important d'avoir une expression analytique fiable du taux de ces processus dans le cadre de ces modèles Seesaw favoris. Dans la première partie de cette thèse, nous calculons l'expression du taux de conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome dans le cadre des modèles Seesaw de type 1, et analysons la phénoménologie s'y rapportant. Ces modèles Seesaw, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos et des processus changeant la saveur leptonique, permettent aussi la création de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, à travers le mécanisme dit de "leptogenèse". Selon ce mécanisme, une asymétrie leptonique aurait d'abord été créée, avant d'être partiellement transférée en une asymétrie baryonique. Dans la seconde partie de cette thèse, nous calculons et analysons la leptogenèse dans le cadre des modèles Seesaw de type 2 avec, pour la première fois, la prise en compte des effets de saveurs.Finalement, la troisième et dernière partie de cette thèse se concentre sur la possibilité de générer non seulement la matière baryonique à partir d'une asymétrie, mais aussi la matière noire. A cette fin, nous considérons le modèle dit "doublet inerte'', car il contient une interaction qui pourrait à priori générer de la matière noire à partir d'une asymétrie. Nous adressons dès lors la question suivante et y répondons: est-il possible de générer toute la matière noire à partir d'une asymétrie de matière noire dans le contexte du modèle doublet inerte ? / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'étude de l'universalité de la saveur des leptons est actuellement un sujet prometteur pour tester la présence de contributions de nouvelle physique dans des processus décrits par le Modèle Standard. Les mesures de désintégrations semitauoniques sont particulièrement intéressantes car de possibles couplages de nouvelle physique au lepton τ pourraient être accrus par rapport aux deux autres leptons du fait de sa masse. Les mesures expérimentales des rapports de branchement des désintégrations B->D*τν et B->Dτν sont présentement en tension avec les prédictions théoriques à la hauteur de 3.78σ. De nouvelles mesures ainsi que l'étude de nouveaux canaux sont ainsi indispensables pour comprendre l'origine de ce désaccord. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle technique pour reconstruire le lepton τ via sa désintégration en trois pions et son usage pour mesurer des rapports de rapports de branchements pour deux désintégrations B->D*τν et Λb->Λcτν par rapport aux mêmes désintégrations impliquant des muons. Ces rapports sont respectivement dénommés R(D*) et R(Λc). R(D*) est mesuré en utilisant les 3 fb⁻¹ de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb pendant le Run1 du LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV via la reconstruction du τ en trois pions. Le résultat obtenu R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à 1σ près tout en étant cohérent avec les mesures précédemment effectuées. Sa précision permet aussi de conforter le désaccord entre la combinaison des mesures et la prédiction théorique. Ces mêmes données sont aussi analysées dans cette thèse afin d'étudier la désintégration Λb->Λcτν observée pour la première fois avec une significance de 5.7σ. Les incertitudes statistiques et systématiques sont aussi estimées et R(Λc) peut s'écrire R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) avec la valeur centrale encore masquée à ce jour. / Probing Lepton Flavour Universality has been recently a very promising topic to test for the presence of New Physics contributions in Standard Model processes. Measurements involving semitauonic decays are interesting as potential New Physics couplings to the τ-lepton could be enhanced with respect to the two other leptons due to its mass. Experimental measurements of B->D*τν and B->Dτν branching fractions are currently in tension with theoretical predictions at the 3.78σ level. Both precise measurements and analyses of new channels are thus required to understand the source of this disagreement. The work presented in this thesis describes the use of a new technique to reconstruct τ-lepton using its decay into three pions and its use to measure ratios of branching fractions for two decays B->D*τν and Λb->Λcτν with respect to the same decays involving a muon, these ratios are referred to as R(D*) and R(Λc). Using the 3 fb⁻¹ of proton-proton collisions recorded by the LHCb detector during the LHC Run1 at a centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV, R(D*) was measured using the three-pions reconstruction for the τ to be R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) This result is compatible with the Standard Model expectation at the 1σ level and is consistent with previous measurements. Its precision is able to slightly enforce the disagreement between the combination of the measurements with the theoretical prediction. The same dataset is also analysed in this thesis to study the Λb->Λcτν decay which is observed for the first time with a significance of 5.7σ. Both statistical and systematic uncertainties were estimated and R(Λc) can then be expressed as R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) with its central value remaining blind at the moment.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04.

L'expérience LHCb a été conçue pour étudier la physique des saveurs, dont entre autre la violation de CP, sur le collisioneur proton-proton LHC.La première phase de fonctionnement du LHC a durée de 2011 à 2012, ce qui a permis à LHCb de collecter $3.19~mathrm{fb}^{-1}$ de données à une énergie dans le centre de masse des collisions de $sqrt{s} = 7~TeV$ et $sqrt{s} = 8~TeV$.L'analyse présentée dans cette thèse est basée sur l'ensemble des données collectées par LHCb lors de la première phase de fonctionnement (2011-2012).Le mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) est le mécanisme décrivant la violation de CP dans le cadre du Modèle Standard.Les expériences de la décennie précédente, dédiées à la physique des saveurs, BaBar et Belle, ont permis de démontrer le fonctionnement du mécanisme CKM et de démontrer qu'il est majoritairement Standard.`A présent LHCb a pour objectif de mesurer avec précision les paramètres de ce mécanisme, ce qui constitue des points de références du Modèle Standard, pour en parallèle rechercher de manière indirecte de la Nouvelle Physique en recherchant des déviations à ces points de références du Modèle Standard.Les travaux réalisés lors de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du premier axe de recherche: réaliser des mesures de précision des paramètres du mécanisme CKM pour contraindre le Modèle Standard.Dans cette thèse nous réalisons la mesure la plus précise à l'heure actuelle du rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0tobar{D}^0K^+K^-}$, la première observation des modes ${B^0_stobar{D}^0K^+K^-}$ et ${B^0_stobar{D}^{*0}phi}$ avec mesure de la polarisation de ce dernier, la confirmation de la mesure du rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0_stobar{D}^0phi}$, ainsi que des limites supérieures sur le rapport d'embranchement de la désintégration ${B^0tobar{D}^0phi}$ et sur l'angle de mélange des mésons ${omega - phi}$.L'observation de ces modes ${B^0_{(s)}tobar{D}^0K^+K^-}$ et sous modes ${B^0_{(s)}tobar{D}^{(*)0}phi }$ permet de préparer les futures analyses de Dalitz de ces modes qui contribueront, en les combinant avec les autres méthodes, à améliorer la précision sur la mesure de la phase complexe $gamma$ du mécanisme CKM. / The LHCb experiment has been designed to study flavor physics, notably CP violation, on the LHC proton-proton collider.The first LHC run goes from 2011 to 2012, during what LHCb saved $3.19~mathrm{fb}^{-1}$ of data with a collision centre-of-mass energy at ${sqrt{s} = 7~TeV}$ and ${sqrt{s} = 8~TeV}$.The analysis presented in this thesis is based on a data sample corresponding to the full first run of the LHC (2011-2012).The Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes CP violation in the Standard Model.In the previous decade, two dedicated experiments to flavor physics, BaBar and Belle, proved that the CKM mechanism is at work and dominated by Standard effects.Now LHCb aim is to improve precision on measurements of CKM parameters, in order to serves as the Standard Model reference points, to make in parallel indirect search of New Physics looking for deviations from the Standard Model reference points.Accurate measurements of CKM parameters through different processes provide sensitivity to new physics effects, by testing the global consistency of the Standard Model.This thesis is included inside the first LHCb aim: to improve CKM parameters measurements to constrain the Standard Model.This thesis reports the most precise measurement to date of the branching fraction of ${B^0tobar{D}^0K^+K^-}$ decay, the first observation of the decays ${B^0_stobar{D}^0K^+K^-}$ and ${B^0_stobar{D}^{*0}phi}$ with a polarization measurement for the second one, confirmation of the branching fraction measurement of ${B^0_stobar{D}^0phi}$, and upper limits on branching fraction of ${B^0tobar{D}^0phi}$ decay and on ${omega - phi}$ mixing angle.The observation of ${B^0_{(s)}tobar{D}^0K^+K^-}$ and ${B^0_{(s)}tobar{D}^{(*)0}phi }$ decays prepare the Dalitz analysis for these channels which will be used, combined with other methodes, to improve measurement on the $gamma$ complex-phase of the CKM mechanism.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules s’est imposé comme étant la description la plus précise des interactions fondamentales entre les particules élémentaires. La découverte d’un boson de Higgs, avec une masse de 125 GeV, en Juillet 2012 au Large Hadron Collider (LHC), en a marqué sa confirmation définitive. Cependant, de nombreux problèmes observationnels et théoriques sont au coeur du MS, la plupart liés au secteur de Higgs. Etant une particule scalaire, le boson de Higgs souffre de très grandes corrections radiatives, ce qui déstabilise l’échelle électro-faible et mène au problème de hiérarchie. L’un des buts principaux du LHC est d’explorer précisément le secteur de Higgs, afin de caractériser le mécanisme à l’origine de la brisure de la symétrie électro- faible et de tester de possibles solutions au problème de hiérarchie. Le secteur de Higgs est également responsable de la génération des masses des fermions dans le MS, par le biais des couplages de Yukawa. Ces couplages sont extrêmement non génériques et cela mène aux problèmes de la saveur au delà du MS.La première partie de cette thèse se concentre sur la caractérisation précise du secteur de Higgs. En particulier, le code public Lilith est présenté, il permet de dériver des contraintes sur des scénarios de nouvelle physique à l’aide des mesures des propriétés du boson de Higgs en collisionneurs. Une analyse des couplages du boson de Higgs dans le contexte de plusieurs scénarios est ensuite effectuée. Dans la seconde partie, la phénoménologie des modèles à deux doublets de Higgs est étudiée à la lumière des résultats de la première phase du LHC. La limite d’alignement, ainsi que la possible présence de bosons de Higgs légers, sont étudiées en détail. Finalement, dans la dernière partie de cette thèse, l’hypothèse de Violation Minimale de la Saveur est introduite comme une solution potentielle aux problèmes de la saveur au delà du MS. Appliquée au Modèle Standard Supersymétrique Minimal, l’évolution des couplages baryoniques violant la parité R sous le groupe de renormalisation est analysée en détail. / The Standard Model (SM) of particle physics stands as the most successful description of the fundamental interactions between elementary particles. The discovery of a Higgs boson, at a mass of 125 GeV, in July 2012 at the Large Hadron Collider (LHC), marked its ultimate confirmation. However, various observational and theoretical problems lie in the heart of the SM, with the majority of them linked to the Higgs sector. Being a scalar, the Higgs boson is subject to very large radiative corrections and this ultimately leads to the electroweak hierarchy problem. One of the main goals of the LHC program is to precisely probe the Higgs sector, in order to characterize the mechanism at the origin of the breaking of the electroweak symmetry and test possible solutions to the hierarchy problem. The Higgs sector is also responsible for the generation of the fermion masses, as it induces the Yukawa couplings. The SM flavor sector is highly hierarchical and this leads to flavor puzzles in theories beyond the SM.The first part of this thesis is dedicated to the precise characterization of the Higgs sector. In particular, the public tool Lilith is presented, which allows to derive constraints on new physics models based on the Higgs measurements at colliders. It is then used to perform global fits of the Higgs couplings in the context of various scenarios. In the second part, the phenomenology of two-Higgs-doublet models is studied in the light of the results from the first run of the LHC. The so-called alignment limit is explored in detail, as well as the possible presence of light scalar states. Finally, in the last part of this thesis, the Minimal Flavor Violation hypothesis is introduced as a possible solution to the flavor puzzles beyond the SM. Enforcing it in the Minimal Supersymmetric Standard Model, the renormalisation group evolution of the baryonic R-parity violating couplings is then studied in detail.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04. / This thesis summarizes a search for manifestations of Large Extra Dimensions (LED) using 4.91fb-1 of data collected in 2011 by the Atlas detector at the LHC collider at CERN. In 2011, the LHC has provided proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV. LED can potentially solve the so-called hierarchy problem, i.e. large apparent difference between two fundamental scales of the Standard Model (SM), the electroweak and the Planck scales. In the context of the ADD model (named after the authors N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) of LED, the effects of quantum gravity become much stronger than in the SM; possibly large enough to be observed at the LHC. There are two possibilities of graviton production in proton-proton collisions: direct graviton production and virtual graviton exchange. In this thesis, we present a search for the manifestation of extra dimensions via the effect of virtual graviton exchange on the di-photon final state. The di-photon invariant mass spectrum is studied and found to be in good agreement with SM background expectation. We set limits on the fundamental Planck scale of the ADD model using two different methods: a counting experiment and an analysis of the shape of the di-photon mass spectrum. The counting experiment yields limits between 2.62 and 3.92 TeV at 95% CL, depending on the number of extra dimensions and the theoretical formalism used. The shape analysis yields slightly more stringent limits: the lower limits on the fundamental Planck scale improve by a factor of 1.04.

Une très grande effervescence secoue le monde de la physique des particules depuis le lancement du grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN. Cette énorme machine capable de faire se collisionner des protons à des énergies égales à 14 TeV promet de lever le voile sur la physique régissant les interactions à ces échelles d’énergies. Ces résultats sont d’autant plus attendus que l’on a acquis la certitude que le Modèle Standard de la physique des particules est incomplet et devrait, en fait, être interprété comme la théorie effective d’une théorie plus fondamentale. Toutefois, depuis le lancement des expériences au LHC avec des énergies de 7 puis de 8 TeV aucun signe de nouvelle physique n’a été découvert. Par contre, un énorme bond en avant a été franchi avec la découverte d’une particule scalaire de masse égale à 125 GeV et dont les propriétés sont relativement proches de celles du boson de Higgs telles que prédites par le Modèle Standard. C’est dans ce contexte de forte émulation internationale que mon travail de thèse s’est inscrit. Dans un premier temps, nous avons voulu explorer la phénoménologie associée au secteur des neutralinos et charginos du modèle supersymétrique symétrique gauche-droit. Cette étude peut être motivée par plusieurs raisons notamment le fait que leur caractère supersymétrique apporte une solution au problème dit de la hiérarchie mais implique aussi l’unification des constantes de jauge ainsi que l’explication de la matière noire. L’introduction de la symétrie entre les fermions gauchers et les fermions droitiers permet, quant à elle, d’expliquer naturellement, via le mécanisme dit de la balançoire, la petitesse de la masse des neutrinos mais aussi de répondre à plusieurs autres questions non solubles dans le cadre du Modèle Standard. Nous concentrant uniquement sur le secteur des charginos et neutralinos les plus légers, nous avons montré que ces modèles peuvent être facilement mis en évidence dans les évènements multi-leptoniques en ce sens que les signatures qu’ils induisent sont tr`es différentes comparées à celles du Modèle Standard et de sa version supersymétrique.[...] / The field of high-energy physics has been living a very exciting period of its history with the Large Hadron Collider (LHC) at CERN collecting data. Indeed, this enormous machine able to collide protons at a center of mass energy of 14 TeV promises to unveil the mystery around the physics at such energy scales. From the physicists side, the expectations are very strong as it isnowadays a certitude that the Standard Model of particle physics is incomplete and should, in fact, be interpreted as the effective theory of a more fundamental one. Unfortunately, the 7 and 8 TeV runs of the LHC did not provide any sign of new physics yet but there has been at least one major discovery in 2010, namely the discovery of a scalar particle with a mass of 125 GeV and whichproperties are very close to those of the Standard Model Higgs boson. Since then, many questions have come up as we now want to understand if it really is the Standard Model Higgs boson or if it exhibits any deviations. It is in this peculiar context that my research work was carried. In a first project, we, my supervisors, our collaborator and I, have wanted to explore thephenomenology associated with the neutralinos and charginos sector of the left-right symmetric supersymmetric model. Such an analysis can be motivated by several reasons such as the fact that the supersymmetric nature of these models provides a natural explanation for the infamous hierarchy problem, implies the unification of the gauge coupling constants at very high energy and provides a natural candidate for dark matter. In addition to these nice features, the left-right symmetry introduces a natural framework for explaining the smallness of neutrino masses but also helps in addressing several other unresolved issues in the Standard Model framework. Only focusing on the lightest charginos and neutralinos decaying into one or more light leptons, we have shown in our study that these models can be easily discovered in multi-leptonic final states as theylead to signatures very different from those induced by the Standard Model or its supersymmetric version.[...]