Cette thèse présente une étude détaillée de l'état final avec un boson Z se désintégrant en deux leptons, produit dans le détecteur CMS au LHC. Pour identifier cette topologie, des algorithmes sophistiqués d'étiquetage des jets b ont été utilisés, et la calibration de l'un d'entre eux, Jet Probability, est exposée. Une étude de la dégradation de cet algorithme à hautes énergies a été menée et une amélioration des performances a pu être notée. Cette étude est suivie par une recherche du boson de Higgs du modèle standard (MS) se désintégrant en deux quarks b, et produit en association avec un boson Z (canal ZH), à l'aide de la Méthode des Éléments de Matrice (MEM) et deux algorithmes d'étiquetage des jets b: JP et Combined Secondary Vertex (CSV). La MEM est un outil perfectionné qui produit une variable discriminante par événement, appelée poids. Pour l'appliquer, plusieurs lots de fonctions de transfert ont été produits. Le résultat final renvoie une limite observée sur le taux de production de ZH avec le rapport d'embranchement H → bb de 5.46xσMS en utilisant CSV et de 4.89xσMS en faisant usage de JP : un léger excès de données est observé seulement pour CSV. Enfin, à partir de l'analyse précédente, une recherche de nouvelle physique modèle-indépendante a été faite. Le but était de discriminer entre eux les processus du MS afin de catégoriser l'espace de phase Zbb, à l'aide d'une méthode récursive basée sur les poids de la MEM. Des paramètres libres ont été ajustés pour obtenir la meilleure limite d'exclusion pour le signal ZH. En utilisant la meilleure configuration trouvée, la limite calculée est de 3.58xσMS, proche de celle obtenue avec l'analyse précédente. / This thesis presents a detailed study of the final state with the Z boson decaying into two leptons, produced in the CMS detector at the LHC. In order to tag this topology, sophisticated b jet tagging algorithms have been used, and the calibration of one of them, the Jet Probability (JP) tagger is exposed. A study of the tagger degradation at high energy has been done and led to a small gain of performance. This investigation is followed by the search for the associated production of the standard model (SM) Higgs boson with a Z boson and decaying into two b quarks (ZH channel), using the Matrix Element Method (MEM) and two b-taggers: JP and Combined Secondary Vertex (CSV). The MEM is an advanced tool that produces an event-by-event discriminating variable, called weight. To apply it, several sets of transfer function have been produced. The final results give an observed limit on the ZH production cross section with the H → bb branching ratio of 5.46xσSM when using the CSV tagger and 4.89xσSM when using the JP algorithm: a small excess of data is observed only for CSV. Finally, based on the previous analysis, a model-independent search of new physics has been performed. The goal was to discriminate all the SM processes to categorize the Zbb phase space, with a recursive approach using the MEM weights. Free parameters had to be tuned in order to find the best exclusion limit on the ZH signal strength. For the best configuration, the computed limit was 3.58xσSM, close to the one obtained with the dedicated search.

Cette thèse a utilisé la méthode des règles de somme de QCD pour étudier la nature des résonances du charmonium suivantes: Y(3930), Y(4140), X(4350), Y(4260), Y(4360) et Y(4660). Il y a des fortes indications que ces états ont des structures hadroniques non conventionnelles (ou exotiques) lorsque leurs masses respectives et les modes de désintégration observés expérimentalement sont incompatibles avec ce qui est attendu pour l'état conventionnel du charmonium.Le même phénomène se produit dans le secteur du bottomonium, où les nouveaux états Yb(10890) et Yb(11020), observeés récemment pourraient indiquer l'existence de nouveaux états exotiques du bottomonium. De cette façon, on vérifie que l'état Y(4140) peut être décrit soit par une structure moléculaire D*s D*s (0++) ou par une mélange entre les états moléculaires D*s D*s (0++) et D*D* (0++). Les états Y(3930) et X(4350) ne peuvent pas être décrites par les courants moléculaires D*D* (0++) et D*s D*so (1-+), respectivement. On vérifie également que la structure moléculaire psi' f0(980) (1--) réproduit très bien la masse de l'état Y(4660). Une extension naturelle au secteur du bottomonium indique que l'état moléculaire Y' f0(980) est un bon candidat pour l'état Yb(10890). On a également fait une estimation pour les états moléculaires possibles formées par des mésons D et B, ce qui pourra être observé dans des expériences futures au LHC.Une vaste étude, en utilisant le formalisme habituel des règles de somme et aussi le Double Rapport des règles de somme, est fait pour calculer les masses des baryons lourds en QCD. Les estimations pour les masses des baryons avec un (Qqq) et deux (QQq) quarks lourds sont un excellent test pour la capacité de la méthode de règles de somme à prédire les masses des baryons qui n'ont pas encore été observés. / The QCD sum rules approach was used to study the nature of the following charmonium resonances: Y(3930), Y(4140), X(4350), Y(4260), Y(4360) and Y(4660). There is strong evidence that these states have a non-conventional (or exotic) hadronic structures since their respective masses and decay channels observed experimentally are inconsistent with expected for a conventional charmonium state. The same phenomenon occurs on the bottomonium sector, where new states like Yb(10890) and Yb(11020) observed recently could indicate the existence of new bottomonium exotic states. In this way, one verifies that the state Y(4140) could be described as a D*s D*s (0++) molecular state or even as a mixture of D*s D*s (0++) and D*D* (0++) molecular states. For the Y(3930) and X(4350) states, both cannot be described as a D*D* (0++) and D*s D*s0 (1−+), respectively. From the sum rule point of view, the Y(4660) state could be described as a ψ' f0(980) (1−−) molecular state. The extension to the bottomonium sector is done in a straightforward way to demonstrate that the Y' f0(980) molecular state is a good candidate for describing the structure of the Yb(10890) state. In the following, one estimates the mass of the exotic Bc-like molecular states using QCD sum rules - these exotic states would correspond to a bound states of D(*) and B(*) mesons. All of these mass predictions could (or not) be checked in a near future experiments at LHC.A large study using the Double Ratio of sum rules approach has been evaluated for the study of the heavy baryon masses in QCD. The obtained results for the baryons with one (Qqq) and two (QQq) heavy quarks will be an excellent test for the capability of the sum rule approach in predicting mass of the baryons which have not yet been observed.

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.

L'expérience JUNO est une expérience basée sur un détecteur à scintillateur liquide ayant pour objectif principal de déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos. JUNO atteindra une sensibilité de trois écarts standards en 6 ans, avec une résolution en énergie sans précédent, meilleure que 3% à 1MeV. Le détecteur central de JUNO est un détecteur à scintillateur liquide de 20 kilotonnes, construit avec une couverture de photocathode élevée (78%) et une bonne transparence. La couverture de photocathode est assurée par 18000 photomultiplicateurs de 20 pouces et 25000 de 3 pouces, ce qui permet d'atteindre un rendement d'environ 1200 photoélectrons par MeV. Malgré les 700m d'épaisseur de roche protégeant le détecteur des rayonnements cosmiques, le bruit de fond induit par les muons atmosphériques est toujours considéré comme non négligeable par rapport au signal attendu pour la détermination de la hiérarchie de masse. Pour faire face à ce bruit de fond, un détecteur appelé "Top Tracker" permet d'améliorer la détection de ces muons. Cette thèse concerne les travaux d'optimisation pour cette expérience actuellement en cours de construction, et dont les prises de données commenceront en 2021.Pour les photomultiplicateurs de 20 pouces, deux nouvelles géométries de concentrateurs de lumière sont étudiées afin de vérifier leurs performances pour augmenter le rendement photoélectronique et donc la résolution en énergie de JUNO. La distribution spatiale et le schéma de câblage des photomultiplicateurs de 3 pouces font aussi l'objet d'études pour assurer une performance optimale du système.Cette thèse aborde ensuite la conception du système de déclenchement du Top Tracker. En effet, ce détecteur doit posséder un tel système pour rejeter les signaux produits par la radioactivité naturelle dans la caverne. Les résultats montrent qu'un système à 2 niveaux doté d'algorithmes optimisés est efficace pour la suppression de ces signaux et qu'il est ainsi possible d'obtenir une efficacité de détection des muons de 93%. Une discussion sur la contribution du Top Tracker à la suppression et à la mesure du bruit de fond induit par les muons atmosphériques est également incluse. / The JUNO experiment is a multi-purpose liquid scintillator neutrino experiment with the main objective of determining the neutrino mass hierarchy (nuMH) with a significance better than 3sigma. To achieve this goal, it is crucial that JUNO has an unprecedented energy resolution of 3% at 1 MeV. Therefore, the JUNO Central Detector (CD) will be built with 20000 ton high transparency liquid scintillator and high photomultiplier tube (PMT) photocathode coverage of 78%, which is provided by 18000 20"-PMTs (LPMTs) and 25000 3"-PMTs (SPMTs). At the same time, the background induced by atmospheric muons should be vetoed by using reconstructed muon tracks. The Top Tracker (TT) is a muon tracker installed on top of the CD for precise muon tracking.This thesis details firstly the optimisation of the LPMT and the SPMT systems, which are directly related to the antineutrino calorimetry. New designs of light concentrator tailored for the JUNO LPMT are studied in order to verify their performance on increasing the JUNO photoelectron yield. By comparing different configurations, the relation between the SPMT system performance and the non-uniform distribution of the SPMT emplacements is studied, and the scheme used for cabling between SPMTs and their Under Water Boxes (UWBs) is studied to ensure a minimal performance degradation in case of UWB failure.Afterwards, this thesis reports on the design and optimisation of the TT trigger algorithms. Due to the background induced by natural radioactivity in the JUNO cavern, the TT cannot work correctly without a trigger system. The results show that a 2-level trigger with the optimised trigger algorithm is effective for the background suppression and thus a muon detection efficiency of 93% can be achieved.A discussion about the TT contribution to the suppression and the measurement of the atmospheric muon-induced background, is also included.

Diboson resonance searches are an essential test of electroweak symmetry breaking theories beyond the Standard Model (SM) of particle physics. Vector or scalar resonances decaying to dibosons are predicted by various models going beyond theSM, such as Grand Unified theories, Little Higgs models, Composite Higgs models or models with extended Higgs sector (such as Super Symmetry (SUSY) or two-Higgs-doublet models). This thesis presents a search for resonant WZ production in the fully leptonic decay channel ℓν ℓℓ (ℓ = e or μ) with two production modes : quark-antiquark fusion or vector-boson fusion. Using 36.1 fb−1 of recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the Large Hadron Collider (LHC) at 13 TeV, constraints are obtained on models going beyond the SM. Since this analysis considers the fully leptonic decays of the vector bosons, events with exactly three leptons in the final state and a substantial missing transverse energy are selected. One signal region is established for each production mode of the resonance, either by quark-antiquark or vector boson fusion. For heavy vectorial resonances produced by quark fusion the W and Z bosons are required to carry a substantial fraction of the resonance energy (pWT /mWZ > 0.35 and pZT /mWZ > 0.35)). Events with resonances produced by vector boson fusion are characterised by two jets with a large invariant mass and a large separation in pseudorapidity. Therefore, in the search for this production mode, events are required to have at least two jets with an invariant mass (mj j ) greater than 500 GeV and a separation in pseudorapidity ( ηj j ) of at least | ηj j | > 3.5. In each signal region the distribution of the invariant mass of the WZ system will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localised excesses in the invariant mass of the diboson system (mWZ). No significant excess was observed in the signal regions. Limits have then been set on the cross section times branching ratio for a heavy vector resonance produced by either quark-antiquark or vector boson fusion. Additionally, limits on the coupling parameters and masses are obtained for a charged Higgs boson in the Georgi-Machacek produced by vector boson fusion. / Les recherches de résonances di-boson constituent un test essentiel des théories de brisure de symétrie électrofaible au-delà du modèle standard (MS). Plusieurs scénarios, comme les théories de grande unification, les modèles Little Higgs, les modèles de Higgs Composés ou celles avec un secteur de Higgs élargi (par example SUSY ou le two-Higgsdoublet model), prédisent des résonances vectorielles ou scalaires. Cette thèse présente une recherche de résonances lourdes se désintégrant en WZ dans le canal leptonique WZ → ℓν ℓℓ (ℓ = e ou μ). Deux modes de production sont considérés : par fusion de quark-antiquark ou par fusion de boson vectoriels. Se basant sur les récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 13 TeV au LHC au cours des années 2015 et 2016, avec une luminosité intégrée de 36.1 fb−1, on établira des contraintes sur des modèles allant au-delà du MS de la physique des particules. Puisqu’on considère la désintégration leptonique des bosons WZ, on sélectionne les événements ayant trois leptons et une grande énergie transverse manquante. Des régions de signal sont choisies pour chaque mode de production : fusion par quarks ou par bosons vectoriels. Pour les résonances produites par fusion de quark, on considère des résonances vectorielles lourdes. On sélectionne donc des événements où les bosonW et Z portent une fraction importante de l’énergie de masse de la résonance (pWT /mWZ > 0.35 et pZT /mWZ > 0.35). Les résonances produites par fusion de bosons sont caractérisées par deux jets ayant une grande séparation en pseudorapidité et une grande masse invariante. Pour la région de signal, dans ce cas, on requiert alors au moins deux jets avec une masse invariante supérieure à mj j > 500 GeV et une grande séparation en pseudorapidité | ηj j | > 3.5. Pour les deux régions, la distribution en masse invariante du système WZ sera examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesteraient par un excès localisé. En fin de compte, aucun excès significatif n’a été observé dans les régions de signal, ce qui permet d’établir des limites sur le produit de la section efficace et du rapport d’embranchement d’un boson massif vectoriel dans les deux canaux de production. Des contraintes sont également obtenues sur la masse et le couplage d’un boson de Higgs chargé du modèle Georgi-Machacek, produites par fusion de bosons vectoriels.

Cosmic rays reach Earth from beyond the Milky Way and with energies up to 10^20 eV.The responsible accelerators have to date not been discovered. However, multi-messenger astronomy can shed light on the question, based on the principle that protons and nuclei accelerated in dense and energetic environments would also produce gamma rays and neutrinos. Such environments may be found in "blazars", which are therefore cosmic ray accelerator candidates. Their gamma-ray emission has been observed to increase, sometimes by orders of magnitude, during "flares" as observed in light curves taken by the Large Angle Telescope on the Fermi satellite. When the latter was launched in 2008, the IceCube Neutrino Observatory had also started taking data, detecting the Cherenkov light from high-energy neutrino interactions in the glacier ice under the geographic South Pole. These two experiments have enabled multi-messenger searches for neutrinos in time correlation with the gamma-ray emission from blazars. This work builds on this principle and extends it by "stacking" the signal from multiple blazar flares. Thus, their individually undetectable neutrino emission could still be discoverable. One first analysis focused on the blazar TXS 0506+056, whose flare in 2017 coincided with arrival of the neutrino IceCube-170922A. Extending into a lower energy range than the alert, the search found no additional excess neutrinos associated with the flare. A second analysis used 179 bright and variable blazars. They were divided in two specific blazar classes and weighted relatively to each other, with two weighting schemes motivated physically using the observed gamma-ray luminosity and a third, generic weighting to cover unconsidered scenarios. No significant neutrino excess was found in the unblinded likelihood fits for any of the source catalogues and weighting schemes. Their combined trial-corrected p-value was p=(79.1 +/- 0.3)%. The limits derived from this analysis are also discussed and its relation with other searches considered. Since that was the first "blazar flare stacking", this work also proposes further improvements to the analysis which will help advance the search for cosmic ray accelerators. / Les rayons cosmiques proviennent d'au-delà de la Voie lactée et atteignent la Terre avec des énergies pouvant aller jusqu'à 10^20 eV. Les objets qui accélèrent ces rayons cosmiques n'ont toujours pas été découverts. Toutefois, l'astronomie multimessager peut apporter un élément de réponse à cette question, en supposant que les protons et les noyaux accélérés dans des environnements denses et énergétiques pourraient également produire des rayons gamma et des neutrinos. Les "blazars" sont de possibles candidats pour les accélérateurs de rayons cosmiques. Une augmentation de leurs émissions de rayons gamma, parfois de plusieurs ordres de grandeur, a été observée lors de phénomènes qu'on appelle "éruption", comme le montrent les courbes de lumière prises par le télescope spatial Fermi-LAT. Lorsque ce dernier a été lancé en 2008, l'observatoire de neutrinos IceCube avait également commencé à prendre des données, détectant la lumière Tcherenkov provenant d'interactions de neutrinos à haute énergie dans la glace qui se trouve sous le Pôle Sud géographique. Ces deux expériences ont permis de mener à bien des recherches multi-messagers de neutrinos en corrélation temporelle avec l'émission de rayons gamma des blazars. Ce principe est le point de départ de cette thèse, qui va plus loin en employant la méthode du "stacking", qui consiste à combiner les signaux provenant de plusieurs éruptions de blazars. Ainsi, leurs émissions individuelles de neutrinos, habituellement indétectables, pourraient être découvertes après combinaison. Une première analyse s'est concentrée sur le blazar TXS 0506+056, dont l'éruption en 2017 a coïncidée avec l'arrivée de l'évènement IceCube-170922A. En considérant une gamme d'énergie inférieure à celle de l'alerte 170922-A, pas d’autres neutrino excédentaire n’a été associé à l'éruption. Une deuxième analyse est basée sur 179 blazars lumineux et variables. Ces blazars ont été répartis en deux classes spécifiques, et chacun d'entre eux a reçu un poids relatif. Trois schémas de pondération ont été considérés :les deux premiers étant motivés par des observations, le troisième étant plus générique. Aucun excès significatif de neutrinos n'a été observé après avoir effectué des ajustements par maximum de vraisemblance sur les données non masquées, pour les différents catalogues de sources et schémas de pondération. Leur valeur-p combinée est de p=(79.1 +/- 0.3)%. Les limites dérivées de cette analyse sont discutées ainsi que leur rapport avec les résultats d'autres recherches. Puisqu'il s'agit du premier stacking d'éruptions de blazars, nous suggérons également des améliorations à apporter à l'analyse afin de permettre la poursuivre de la recherche d'accélérateurs de rayons cosmiques. / Kosmische straling afkomstig van buiten de Melkweg bereikt de Aarde met energieën tot wel 10^20 eV. De astrofysische bronnen waarin deze deeltjes worden versneld zijn tot op heden nog niet ontdekt. De multi-boodschapperastronomie kan een nieuw licht werpen op de oorsprong van kosmische straling, aangezien protonen en atoomkernen die worden versneld in een dichte en energetische omgeving ook gammastralen en neutrino’s produceren. „Blazars” zijn mogelijke kandidaat-versnellers. Observaties van blazars, gemaakt met de ruimtetelescoop Fermi-LAT ,tonen aan dat hun gammastraling tijdens zogenaamde „flakkers” toeneemt. Rond de tijd dat deze werd gelanceerd, begon het IceCube Neutrino Observatorium ook gegevens te verzamelen. Deze laatste detecteert hoog-energetische neutrino’s aan de hand van het Cherenkovlicht dat geproduceerd wordt tijdens hun interacties met de ijskap bij de geografische zuidpool. Deze twee experimenten hebben het mogelijk gemaakt om een multibooschapperzoektocht te verrichten naar neutrino’s van blazars die een tijdscorrelatie hebben met diens flakkers van gammastraling. Dit is het uitgangspunt van dit proefschrift, waarbij er ook een zogenaamde „stapelmethode” wordt toegepast. Op deze manier kan de neutrino-emissie van indivuele blazarflakkers, die afzonderlijk te zwak is om te detecteren, gecombineerd worden en mogelijks toch worden ontdekt. Een eerste analyse legt de focus op de blazar TXS 0506+056, waarvan een flakker in 2017 samenviel met de aankomst van het neutrino IceCube 170922-A. In een relatief lager energiebereik wordt er geen surplus aan neutrino’s gevonden gecorreleerd met de flakker. In een tweede analyse maken we gebruik van de stapelmethode om neutrino’s te zoeken afkomstig van 179 heldere en variabale blazars. Deze worden onderverdeeld in twee specifieke klassen en krijgen elks een zeker gewicht in de stapelanalyse. Hiervoor worden twee wegingsschema’s gebruikt die gemotiveerd zijn door de geobserveerde gammastraling, alsook een derde generieke weging. Ook hierwordt er geen significant neutrinosignaal geobserveerd. De gecombineerde p waarde is p=(79.1 +/- 0.3)%. Hieruit worden limieten afgeleid, en worden de verbanden met andere zoekacties besproken. Aangezien dit werk de eerste analyse omvat naar neutrino’s afkomstig van blazarflakkers gebruik makende van een stapelmethode, worden er in dit werk ook verdere verbeteringen van de analyse voorgesteld. Deze zullen als een startpunt dienen voor toekomstige zoektochten naar de nog onbekende bronnen van kosmische straling. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Une revue générale est faite de la situation expérimentale concernant la mesure des masses, du mélange et des oscillations de neutrinos, ainsi que de la phénoménologie sous-jacente. Mes contributions à travers le programme expérimental du CERN, CHARM-II, CHORUS et OPERA, font l'objet d'un développement particulier. Le dernier chapitre tente de mettre en perspective le programme expérimental à moyen et long terme.<p><p>The experimental situation concerning the measurements of neutrinos masses, mixing and oscillation is reviewed, as well as of the underlying phenomenology. A particular attention is given to the CERN experimental program to which I took or take part, CHARM-II, CHORUS and OPERA. In the last chapter, I try to put into perspective the medium and long term experimental programme. <p> / Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens et physiciennes des particules tentent de trouver des signes de nouvelle physique. Bien que le modèle standard décrivant les forces et particules aient été confirmé par les expériences telles que ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ce modèle décrit seulement 5% de la matière de notre Univers. Face à l’absence d’excès dans les recherches concentrées sur des modèles de nouvelle physique, l’intelligence artificielle pourrait être la solution. Ce mémoire s’inscrit dans une perspective novatrice de recherche générale de nouvelle physique indépendante des modèles théoriques dans les données du détecteur ATLAS, par l’utilisation de l’apprentissage machine. Ici, nous nous intéressons à l’application de réseaux de neurones dans les données de simulation de collision proton-proton à \sqrt{s} = 13 TeV du détecteur ATLAS. Nous étudierons la performance d’auto-encodeurs variationnels dans les jets boostés, ces jets qui pourraient cacher des signes de nouvelle physique. Pour analyser la performance de notre réseau, nous entraînons celui-ci sur les quadri-vecteurs de jets issus de gluons et de quarks légers. Nous tentons de retrouver un signal test, les jets issus de quarks top boostés, dans les données de simulation en effectuant des sélections sur les scores d’anomalie retournés par le réseau. Nos modèles d’auto-encodeurs variationnels atteignent une bonne discrimination entre le bruit de fond et le signal du quark top. Nous devrons toutefois améliorer le rejet du bruit de fond pour purifier notre signal en fonction de nos sélections. / Since the discovery of the Higgs boson in 2012, particle physicists are searching for signs of new physics. Although the standard model describing forces and particles has been confirmed by experiments like ATLAS at the Large Hadron Collider (LHC), it only describes 5% of the matter of the universe. Facing the absence of excess in searches for new physics model, artificial intelligence could be the solution. This master thesis is part of a novel general model-independent search for new physics in the ATLAS detector data using machine learning. Here, we are interested in the application of neural networks in \sqrt{s} = 13 TeV proton-proton collision ATLAS simulation data. We study the performance of variational auto-encoders in boosted jets, who might be hiding signs of new physics. To analyze our network performance, we train the network on jets four-vectors coming from gluons and light quarks. We try to find a test signal, boosted top quark jets, in our simulation data by applying selections on the anomaly scores returned by our network. Our variational auto-encoder reach a good discrimination between the background and the top quark signal. However, we need to improve background rejection to purify our signal as a function of our selections.

Le Timepix3, successeur du Timepix, est un détecteur au silicium composé de deux couches sensibles installées en parallèle. Chaque couche est munie d’une matrice de 65 536 pixels (256x256) et d’une épaisseur de 500 μm. Une des améliorations du Timepix3 par rapport aux générations précédentes est qu’il est possible de récolter simultanément la quantité de charge déposée ainsi que le temps d’arrivée de cette charge. Pour la prise de données Run 3 du LHC qui a débuté en 2022, 16 détecteurs Timepix3 ont été installés dans la caverne du détecteur ATLAS. Les Timepix3 seront utilisés pour mesurer la luminosité du faisceau du LHC ainsi que pour caractériser et mesurer la radiation dans la caverne ATLAS, où beaucoup de composantes électroniques sont installés. L’objet de cette maitrise est de développer un algorithme d’identification des particules qui frappe le détecteur Timepix3. Dans un premier temps, l’information de la quantité d’énergie déposée et du temps d’arrivée sera utilisée pour caractériser un champ de particules incidentes au détecteur Timepix3 (électrons, photons, particules lourdes chargées). La nouvelle méthode consiste à utiliser les paramètres physiques des particules lors de leurs interactions avec le milieu, tels que la trajectoire, l’angle d’incidence, le dépôt d’énergie, la densité spatiale de l’amas, densité énergétique le long de la trajectoire de la particule incidente. Dans un second temps, comme les rayons delta sont des effets récurrents et indésirables qui perturbent l’analyse des données en physique des particules, ce mémoire traitera de la façon de les supprimer pour ne récolter que l’énergie déposée directement par la particule incidente. Il sera aussi question d’utiliser la statistique liée à la production des rayons delta lors du passage d’un flux de particules dans le détecteur pour en déterminer l’énergie cinétique. L’algorithme développé pour caractériser un champ de particules avec le Timepix3 a été confronté aux données obtenues avec un cyclotron de protons à Aahrus au Danemark. Nous avons obtenu des résultats satisfaisants, étant donné que la majorité des particules sont identifiées comme des protons et que nous avons réussi à déterminer l’énergie cinétique de ces protons qui se rapproche de l’énergie cinétique du faisceau de protons utilisé. / The Timepix3, successor to the Timepix, is a silicon detector composed of two sensitive layers mounted in parallel. Each layer has a matrix of 65 536 pixels (256x256) and a thickness of 500 μm. One of the improvements of the Timepix3 compared to previous generations is that it is possible to simultaneously collect the quantity of charge deposited as well as the time of arrival of this charge. For the LHC Run 3 data taking which started in 2022, 16 Timepix3 detectors were installed in the ATLAS detector cavern. The Timepix3 will be used to measure the luminosity of the LHC beam as well as to characterize and measure the radiation in the ATLAS cavern, where many electronic components are installed. The purpose of this master thesis is to develop an algorithm for identifying particles that strike the Timepix3 detector. Initially, information on the amount of energy deposited and the time of arrival will be used to characterize a field of particles incident at the Timepix3 detector (electrons, photons, heavy charged particles). The new method consists in using the physical parameters of the particles during their interactions with the medium, such as the trajectory, the angle of incidence, the energy deposition, the spatial density of the cluster, energy density along the trajectory of the incident particle. Secondly, as delta rays are recurring and undesirable effects which disturb the analysis of data in particle physics, this thesis will deal with how to suppress them in order to harvest only the energy deposited directly by the incident particle. It will also be a question of using the statistics linked to the production of delta rays when a flow of particles passes through the detector to determine their kinetic energy. The algorithm developed to characterize a particle field with the Timepix3 was confronted with data obtained with a proton cyclotron at Aahrus in Denmark. We have obtained satisfactory results, given that the majority of the particles are identified as protons and that we have succeeded in determining the kinetic energy of these protons which is close to the kinetic energy of the proton beam used.

La physique des particules est une branche de la science qui est actuellement régie sous un ensemble de lois nommé le \textit{modèle standard} (MS). Il dicte notamment quelles particules existent et comment elles interagissent entre elles. Il permet de prédire toutes sortes de résultats qui sont constamment testés et confirmés par une multitude d'expériences, dont l'expérience ATLAS, au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Toutefois, ce modèle hautement précis et juste ne peut décrire qu'environ 5\% de la matière de l'Univers et s'avère donc incomplet. Les scientifiques passent au peigne fin plusieurs études pour y retrouver de la nouvelle physique, mais en vain. \\ Les théoriciens ne sont pas en reste non plus, et ont concocté plusieurs théories pouvant être vues comme des extensions du modèle standard. Malheureusement, plus de dix ans après la découverte du boson de Higgs au LHC qui venait confirmer la théorie actuelle du MS, aucun signe de ces extensions n'a pu être trouvé. Nous proposons dans ce mémoire d'utiliser l'intelligence artificielle pour aider à trouver certains indices de nouvelle physique. \\ Pour ce faire, nous entraînerons des modèles d'apprentissage automatique \textit{(machine learning)} à reconnaître des signes de la nouvelle physique dans des données réelles ou simulées issues de collisions proton-proton au sein du détecteur ATLAS. Ce détecteur oeuvre au LHC, le plus grand collisionneur au monde, où nos données proviennent d'énergies de centre de masse de \mbox{13 TeV.} Nous utiliserons les quadrivecteurs des particules contenues dans les jets boostés à grand rayon, des amas collimatés de particules présents dans ATLAS, qui pourraient contenir cette fameuse nouvelle physique. Dans ce mémoire, nous tenterons entre autres de retrouver des signaux de quarks top ainsi que de particules hypothétiques issues d'un modèle avec un secteur étendu du boson de Higgs. \\ Actuellement, nos modèles sont capables de bien distinguer le signal du bruit de fond. Toutefois, les résultats sont corrélés à la masse des jets et toute tentative pour contrecarrer cette corrélation diminue de beaucoup la discrimination du signal et du bruit de fond. De plus, nous devrons améliorer le rejet du bruit de fond pour espérer retrouver de la nouvelle physique dans les données d'ATLAS. \\ \textbf{Mots-clés : physique des particules, LHC, Grand collisionneur de hadrons, ATLAS, CERN, intelligence artificielle, apprentissage automatique, réseau de neurones, auto-encodeur variationnel, anomalies, jet boosté, jet à grand rayon} / Particle physics is currently governed by a set of laws called the Standard Model. This model notably includes which particles exist and how they interact with one another. It also allows the prediction of many results which are constantly tested and confirmed by all kinds of experiments, like the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). However, this highly precise model can only describe 5\% of the Universe, so it is incomplete. Scientists across the globe analyzed all kinds of data to find new physics, but to no avail. \\ Theorists also aren't resting, and have concocted many new theories which can be seen as Standard Model extensions. Unfortunately, more than ten years after the discovery of the Higgs boson at LHC that confirmed the last bits of the Standard Model, no signs of these extensions have been found. In light of this, we propose to use artificial intelligence to help us find signs of new physics. \\ To perform this task, we will train machine learning models to recognize signs of new physics inside real or simulated data originating from proton-proton collisions in the ATLAS detector. This detector operates at LHC, the biggest particle collider in the world, where our data will come from center-of-mass energies of \mbox{13 TeV.} We will use four-vectors of particles contained within large radius and boosted jets, which are dense streams of particles present in ATLAS and where new physics might hide. In this dissertation, we will notably try to find signals of top quarks and hypothetical particles originating from a model with an extended Higgs boson sector. \\ Currently, our models are able to distinguish between signal and background noise. However, these results are heavily correlated to jet mass, and any attempt at diminishing this correlation yields worse discriminating power between signal and background. We will also need to improve the background rejection to hope find new physics in the ATLAS data. \\ \textbf{Keywords : particle physics, LHC, ATLAS, CERN, artificial intelligence, deep learning, neural network, variational autoencoder, anomaly, boosted jet, large radius jet}