Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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. 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.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Although about a century has passed since its discovery, and despite the scientific and technological progress of our society has gone through, the nature of the Dark Matter (DM) is a mystery not yet solved. It is a big challenge for the scientific community, its identification would mean the understanding of what seemingly makes up 84% of the matter content in the Universe. We say “seemingly” because so far all evidences for DM are purely gravitational. This implies that what we call dark matter could be either a manifestation of our incomplete understanding of gravity on large scales, or a new form of matter, in particular a new kind of elementary particle. Among the plethora of possible DM candidates, this work will consider the Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). Up to know the observed value for the relic abundance is the only solid parameter which we can count on, and the WIMP is the candidate that, through a fashionable mechanism of production, gives a result for the relic abundance in agreement with the cosmological observations. In order to demonstrate that this is indeed the valid explanation to the DM problem, a non-gravitational signal and also a model to interpret a possible Dark Matter message are needed. This may be expressed in various ways, and our approach is based on so-called simplified model. We have built a new t-channel simplified model which promotes a real scalar particle as DM and a vector-like fermion as mediator, dubbed the Vector-like Portal. In our framework, there are very few free parameters, the DM mass, the mass of the mediator and at least one Yukawa coupling. We have discovered an intriguing feature in the annihilation cross-section, a d-wave suppression in the limit of light final state fermions (compared to the DM mass). This seemingly innocuous observation will turn out to be crucial both for thermal freeze-out and for indirect searches for DM, for which higher order effects become relevant. In particular, we have performed a comprehensive analysis of the impact of next-to-leading order corrections to the annihilation cross-section, including coannihilation, as well as on elastic scattering processes. We have exploited the complementarity of direct, indirect and collider searches to set constraints on the parameter space of some simple vector-like portal scenarios, including coupling to Standard Model leptons, light quarks and the top quark. In addition, we have studied the phenomenological consequences of electroweak corrections and the detectability ofour candidate. / Bien que presque un siècle ait passé depuis sa découverte, et malgré les progrès scientifiques et technologiques de notre société, la nature de la matière noire (MN) est un mystère irrésolu. C’est un grand challenge pour la communauté scientique, car sa découverte signifierait la compréhension de ce qui semble constituer 80 % du contenu en matière de l’univers. Nous disons “semble” car jusqu’à présent toutes les évidences de MN sont purement gravitationnelles. Cela implique que ce que nous appelons matière noire pourrait être soit une manifestation de notre compréhension incomplète de la gravité à grandes échelles, soit une nouvelle forme de matière, en particulier un nouveau type de particule élémentaire. Parmi la pléthore de candidats de MN possibles, ce travail considèrera la Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). A ce jour, la valeur observée de l’abondance relique est le seul paramètre solide sur lequel nous pouvons compter, et la WIMP est le candidat qui, par un élégant mécanisme de production, donne un résultat pour l’abondance relique en accord avec les observations cosmologiques. Pour démontrer que cela est en effet l’explication valide du problème de la MN, un signal non gravitationnel ainsi qu’un modèle pour interpréter un possible message de MN sont requis. Cela peut s’exprimer de plusieurs façons, et notre approche est basée sur les modèles dits simplifiés. Nous avons construit un nouveau modèle simplifié avec le canal t qui promeut une particule scalaire réel comme MN et un fermion de type vector-like comme médiateur, et communément appelé le portail vector-like. Dans notre cadre, il y a très peu de paramètres libres, la masse de la MN, la masse du médiateur et au moins un couplage de Yukawa. Nous avons découvert une caractéristique intrigante dans la section efficace d’annihilation, une suppression de type d-wave dans la limite de fermions légers dans l’état final (en comparaison avec la masse de la MN). Il se trouve que cette observation, qui semble anodine au premier abord, est cruciale pour le freeze-out et pour les recherches indirectes de MN, pour lesquelles les effets aux ordres supérieurs deviennent relevants. En particulier, nous avons réalisé une analyse compréhensive de l’impact des corrections après l’ordre dominant de la section efficace d’annihilation, ainsi que des processus de diffusion élastique. Nous avons exploité la complémentarité des recherches directes, indirectes et aux collisionneurs afin de contraindre l’espace des paramètres de quelques scénarios simples de portails vector-like, dont le couplage au leptons du Modèle Standard et au quark top. De plus, nous avons étudié les conséquences phénoménologiques des corrections électrofaibles, et la détectabilité de notre candidat. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Cette thèse présente une étude du secteur scalaire dans le cadre du modèle standard (MS), ainsi que la recherche d'un secteur scalaire étendu dans des théories au-delà du MS. Ces analyses ont en commun la désintégration d'au moins un des bosons scalaires en une paire de leptons tau. Les résultats sont basés sur les données collectées par le détecteur CMS pendant le Run-1 du LHC, lors de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 ou 8 TeV. Le boson découvert en 2012, H, semble compatible avec un boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) du MS, mais ce constat se base essentiellement sur l'étude des modes de désintégration bosoniques. Le mode de désintégration H->tau tau est le canal fermionique le plus sensible, et permet de tester les couplages de Yukawa du nouveau boson. Cette thèse décrit dans un premier temps la recherche d'un boson scalaire se désintégrant en leptons tau et produit en association avec un boson vecteur. Les données du Run-1 ne sont pas sensibles aux petites sections efficaces de production prédites dans le SM, mais la combinaison avec les autres modes de production montre avec évidence l'existence de désintégrations du boson H en taus. De nombreux modèles au-delà du MS, tels que l'extension supersymétrique minimale du MS (MSSM) ou les modèles avec deux doublets scalaires (2HDM), prédisent l'existence de plusieurs boson scalaires. Quatre recherches d'un secteur scalaire étendu au-delà du MS sont présentées dans cette thèse. La première analyse recherche un pseudoscalaire avec une masse entre 220 et 350 GeV, se désintégrant en un boson scalaire similaire à celui du MS et en un boson Z, dans l'état final avec deux taus et deux leptons légers. La deuxième analyse explore la possibilité d'une désintégration exotique de la nouvelle particule en deux bosons scalaires plus légers dans l'état final avec deux muons et deux leptons tau. Dans le cadre de la troisième analyse, une région en masse quasiment inexplorée auparavant au LHC est testée par la recherche d'un pseudoscalaire avec une masse entre 25 et 80 GeV, se désintégrant en leptons tau et produit en association avec deux quarks b, dans le contexte des 2HDM. La dernière analyse recherche une résonance lourde se désintégrant en une paire de leptons tau dans le contexte du MSSM. Aucun indice de nouvelle physique n'a été trouvé dans les analyses décrites ci-dessus, mais des limites strictes sur les sections efficaces des différents signaux ont été déterminées. / This thesis presents a study of the scalar sector in the standard model (SM), as well as different searches for an extended scalar sector in theories beyond the standard model (BSM). All analyses have in common the fact that at least one scalar boson decays to a pair of tau leptons. The results exploit the data collected by the CMS detector during LHC Run-1, in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 7 or 8 TeV.The particle discovered in 2012, H, looks compatible with a SM Brout-Englert-Higgs boson, but this statement is driven by the bosonic decay modes. The H-> tau tau decay mode is the most sensitive fermionic decay channel, and allows to test the Yukawa couplings of the new particle. The search for the SM scalar boson decaying to tau leptons, and produced in association with a massive vector boson W or Z, is described in this thesis. Even though a good background rejection can be achieved by selecting the leptons originating from the vector boson, Run-1 data are not sensitive to the small production cross sections predicted in the SM for the scalar boson. The combination with the gluon-gluon fusion and vector boson fusion production searches leads to an evidence for the decay of the H boson to tau leptons.Many BSM models, such as the minimal supersymmetric SM (MSSM) or models with two scalar doublets (2HDM), predict the existence of several scalar bosons. The decays of these bosons to tau leptons can be enhanced in some scenarios depending on the model parameters, which makes the di-tau decay mode powerful to discover BSM physics. Four searches for an extended scalar sector are detailed in this thesis. The first analysis searches for a pseudoscalar boson with a mass between 220 and 350 GeV, decaying to an SM-like scalar boson and a Z boson, in the final state with two light leptons and two tau leptons. Second, a search for the exotic decay of the new particle H to a pair of light pseudoscalar bosons, which is still allowed by all measurements made up to now, in the final state with two muons and two tau leptons is performed. Third, a mass region almost never explored at the LHC is probed by the search of a light pseudoscalar, with a mass between 25 and 80 GeV, decaying to tau leptons and produced in association with b quarks. The last analysis describes the search for a heavy resonance in the MSSM, decaying to a pair of tau leptons. None of these analyses has found any hint of new physics beyond the SM, but stringent limits on the cross section of such signals could be set. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This doctoral thesis is part of the upgrade of the CMS experiment at the Large HadronCollider of CERN, the LHC. CMS, together with the ATLAS experiment, led to thediscovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012. But the LHC research program isnot over yet. Indeed, the LHC is intended to operate even at least 20 more years. Duringthis period, the luminosity will grow gradually up to five times its nominal value of 10 34cm −2 s −1 initially foreseen. This increase in luminosity requires the LHC experiments,like CMS, to upgrade their detectors as well as their data acquisition system. One of thenext major CMS upgrade is the addition of a new detector layer in the forward muonspectrometer of CMS. The technology that has been chosen by the CMS collaborationfor this upgrade is the Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM) technology. Thisupgrade aims to maintain the trigger performance despite the increasing rate of particles(> 1 kHz/cm 2 ) and will also improve the reconstruction of muons tracks, thanks to aexcellent spatial resolution (∼ 250 μm). It is the study and characterization of thistechnology that is the subject of this thesis.This characterization of the Triple-GEM detectors starts with a detailed study of thetime resolution. This study has been performed using different Monte Carlo simulationslike GARFIELD, and has demonstrated that the Triple-GEM detectors equipped withthe new VFAT3 electronics (developed for this upgrade) fulfill the requirements for theCMS upgrade.Then we have studied different detector prototypes. First, we have built two small 10×10cm 2 prototypes and developed a test bench at the ULB laboratory. This test bench hasallowed us to study another important parameter of the Triple-GEM detectors: the gain.Later, we also had the opportunity to take part in the data taking and analysis of a testbeam campaign at CERN. The analysis of the data of this test beam is also presentedin detail.The last part of this work concerns the study of the spatial resolution. We have estimatedthe spatial resolution of the Triple-GEM detector equipped with a binary electronics byMonte Carlo simulations as well as analytically. This study has been extended to otherdetector technologies like the Micromegas and the silicon sensors. / Cette th`ese de doctorat s’inscrit dans le cadre de la mise `a niveau de l’exp ́erience CMSaupr`es du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. CMS, avec l’exp ́erienceATLAS, a permis la d ́ecouverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012. Mais leprogramme de recherche du LHC n’est pas pour autant termin ́e. En effet, le LHC estdestin ́e `a fonctionner encore au moins 20 ans. Pendant cette p ́eriode, la luminosit ́e vacroˆıtre progressivement jusqu’`a atteindre environ cinq fois la valeur nominale de 10 34cm −2 s −1 initialement pr ́evue et ce d’ici 2025. Cette augmentation de luminosit ́e pousseles exp ́eriences du LHC, comme CMS, `a mettre `a jour les d ́etecteurs ainsi que leurssyst`emes d’acquisition de donn ́ees. Une des prochaines mises `a niveau majeures deCMS est l’addition d’une nouvelle couche de d ́etection dans le spectrom`etre `a muonvers l’avant. La technologie de d ́etection qui a ́et ́e choisie par la collaboration CMS estla technologie des Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM). Cette mise `a niveaua pour but de maintenir les performances du syst`eme de d ́eclenchement et ce malgr ́el’augmentation de taux de particules (> 1 kHz/cm 2 ) et de permettre ́egalement, grˆacea la tr`es bonne r ́esolution spatiale des Triple-GEM (∼ 250 μm), l’am ́elioration de la re-construction des traces de muons. C’est l’ ́etude des caract ́eristiques de cette technologiequi est le sujet de cette th`ese.Cette caract ́erisation des d ́etecteurs Triple-GEM commence par une ́etude d ́etaill ́ee de lar ́esolution temporelle. Cette ́etude a ́et ́e r ́ealis ́ee `a l’aide de diff ́erentes simulations MonteCarlo telles que GARFIELD et a permis de montrer que les Triple-GEMs ́equip ́es de lanouvelle ́electronique VFAT3 (sp ́ecifiquement d ́evelop ́ee pour les Triple-GEMs) remplis-sent les conditions pour la mise `a niveau de CMS.Nous avons ensuite ́etudi ́e diff ́erents prototypes. Tout d’abord nous avons construit deuxpetits (10 × 10 cm 2 ) prototypes de Triple-GEM et d ́evelop ́e un banc de test au sein dulaboratoire de l’ULB. Ce banc de test nous a permis d’ ́etudier un autre param`etre impor-tant des d ́etecteurs Triple-GEM: le gain. Au cours de cette th`ese nous avons ́egalementparticip ́e `a la prise de donn ́ees et `a l’installation de diff ́erents tests en faisceau au CERN.L’analyse des donn ́ees du test en faisceaux d’octobre 2014 est aussi pr ́esent ́ee en d ́etail.La derni`ere partie de ce travail concerne l’ ́etude de la r ́esolution spatiale. Nous avonsestim ́e la r ́esolution spatiale par simulation de Monte Carlo ainsi que de mani`ere an-alytique pour des d ́etecteurs GEM munis d’une ́electronique binaire. Cette ́etude a ́egalement ́et ́e g ́en ́eralis ́ee `a d’autres d ́etecteurs tels que les Micromegas ou encore lescapteurs au silicium. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Identifier la nature de la matière sombre est l'un des plus grands problèmes de la physique contemporaine. Si la matière sombre est constituée de particules, on peut espérer la détecter, directement ou indirectement, grâce à des expériences terrestres ou spatiales. Prédire les résultats de ces expériences, ou les interpréter en cas de détection, nécessite une compréhension profonde de la structuration de la matière sombre dans notre Galaxie. En partant de considérations issues de la physique des particules et de la cosmologie, je construits un modèle du halo de matière sombre Galactique contraint dynamiquement qui incorpore une description détaillée des ses inhomogénéités. L'impact des ces inhomogénéités sur les recherches utilisant le rayonnement cosmique est ensuite analysé en détails. J'étudie également une méthode permettant de prédire la distribution dans l'espace des phases des particules de matière sombre, et discute sa possible application aux recherches de matière sombre. Cet outil est ensuite appliqué aux recherches utilisant les électrons et positrons cosmiques, et de nouvelles contraintes très fortes sont obtenues sur les modèles microscopiques de matière sombre. / Understanding the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics. If dark matter is made of particles, we can hope to detect it, directly or indirectly, using Earth-based or spatial experiments. Make predictions for the outcome of these experiments, or interpret the results in case of a detection, requires a deep understanding of the structuring of dark matter in our Galaxy. Starting from particle physics and cosmological considerations, I built a dynamically constrained model of the Galactic dark halo including a detailed description of its inhomogeneities. The impact of these inhomogeneities on searches with cosmic rays is then analysed in details. I also study a method allowing to predict the phase-space distribution of dark matter particles, and discuss its possible application to dark matter searches. This method is then applied to searches with cosmic-ray electrons and positrons, and new very stringent constraints are obtained on microscopic models of dark matter.