Ce mémoire s’inscrit dans une optique d’innovation dans le domaine de l’identification des électrons dans l’expérience ATLAS. ATLAS est l’un des quatre détecteurs principaux installés sur le plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC. Cette recherche pousse encore plus loin un projet s’intéressant à l’identification des électrons, qui sont presque omniprésents dans les analyses de la collaboration ATLAS, à l’aide de réseaux de neurones convolutifs. Le réseau entraîné avec des données de simulation de collision proton-proton à √s = 13 TeV dans ATLAS montrant déjà des résultats probants, ce mémoire investigue la possibilité d’entraîner le réseau avec des données expérimentales. D’abord, une étude des ensembles de données expérimentales et de simulation montre des différences entre les distributions des variables de haut niveau données en entrée au réseau de neurones. Ensuite, nous avons entraîné deux réseaux de neurones : un premier sur un échantillon où le bruit de fond principal, les saveurs légères, a été remplacé par des données expérimentales et un second, sur la simulation. Ces deux réseaux ont alors été validés sur l’échantillon contenant des données expérimentales. Les résultats préliminaires montrent que l’utilisation des données expérimentales améliore le rejet du bruit de fond de type saveur légère jusqu’à 1,4 fois par rapport au réseau de neurones entraîné sur la simulation et améliore jusqu’à 3,6 fois le rejet du bruit de fond combiné par rapport à l’algorithme de vraisemblance présentement utilisé dans ATLAS. / This memoir follows a perspective of innovation in the field of electron identification in the ATLAS experiment. ATLAS is one of the four major detectors installed on the LHC ring, the most powerful particle accelerator in the world. This research pushes the boundaries of an earlier project about identifying electrons, a particle which is almost ubiquitous in ATLAS analysis, using convolutional neural networks. Since the network trained with simulated data of proton-proton collisions at √s = 13 TeV in the ATLAS detector has already shown good results, this memoir investigates the possibility to train a convolutional network with real data. We first study the data samples and show that there are significant differences in the distribution of high level variables given as input to the neural network. We then train two neural networks : one of which the most prominent background, light flavour faking electrons, is replaced by real data in the training sample, and a second where the training sample is left untouched. These two networks are then validated on the sample containing real data light flavours. The preliminary results show that using real data to train our classifier improves the background rejection with respect to the light flavour background by a factor up to 1.4 in comparison with the Monte Carlo trained network. We also have an improvement with respect to the combined background by a factor up to 3.6 when comparing both networks to the Likelihood algorithm currently used in ATLAS.

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

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Cette thèse porte sur deux aspects de l'International Linear Collider (ILC) qui est un projet d'un collisionneur linéaire électron-positron avec une énergie dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 500 GeV.Le premier aspect est l'élaboration d'un calorimètre électromagnétique silicium-tungstène (SiW-ECAL) pour l'un des détecteurs de l'ILC. Le concept de ce détecteur est piloté par les spécifications du faisceau de l'ILC et par l'algorithme du Particle Flow (PFA). Cela nécessite un calorimètre hautement granulaire et très compact avec l'électronique directement intégrée à l'intérieur. Pour prouver les capacités du SiW-ECAL, un prototype technologique a été construit et testé en faisceau de test à DESY. Les résultats sont présentés ici et montrent, après la procédure de calibration, un signal sur bruit de 10, même en mode power pulsing.Le deuxième aspect est l'étude de l'un des canaux physique importants de l'ILC, la production de pairs de quark top anti-top. L'objectif principal de cette étude est de déterminer la précision que nous pouvons attendre à l'ILC sur le couplage du top avec le boson W et le photon. Pour obtenir cette précision différentes observables sont utilisées, la section efficace, l'asymétrie avant-arrière et la distribution d'hélicité de la production de pairs de quark top anti-top. L'analyse est basée sur les événements avec des faisceaux polarisés et reconstruit avec la simulation complète du détecteur ILD, qui est le détecteur du SiW-ECAL, pour le Detector Baseline Design de l'ILD. Au final l'erreur attendue sur le couplage du quark top est de l'ordre de 2%. / This thesis deals with two aspects of the International Linear Collider (ILC) which is a project of a linear electron-positron collider of up to at least 500 GeV center of mass energy.The first aspect is the development of a silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (SiW-ECAL) for one of the detectors of the ILC. The concept of this detector is driven by the ILC beam specifications and by the Particle Flow Algorithm (PFA). This requires highly granular calorimeter and very compact one with integrated electronics. To prove the capability of the SiW- ECAL a technological prototype has been built and tested in test beam at DESY. The results are presented here, and show, after the calibration procedure a signal over noise ratio of 10, even in the power pulsing mode.The second aspect is the study of one of the important physics channels of the ILC, the top anti-top quark pairs production. The main goal of this study is to determine the precision that we can expect at the ILC on the top coupling with the W boson and the photon. To get this precision differents observables are used, the cross- section, the forward- backward asymmetry and the helicity distribution of the top anti-top quark pairs production. The analysis is based on the events with polarized beams and reconstructed with the full simulation of the ILD detector, which is the detector of the SIW- ECAL, for the Detector Baseline Design of the ILD. The final expected errors on the top coupling is of the order of 2%.

Après la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au LHC, annoncée le 4 juillet 2012 au CERN, l'heure est maintenant à la mesure des propriétés de cette nouvelle particule pour vérifier sa compatibilité avec le boson scalaire prédit par le Modèle Standard. Son couplage aux autres particules est une mesure importante car toute déviation par rapport à la valeur prédite par la théorie peut être le signe d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle Standard. Cette thèse présente la mesure des couplages du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux photons, utilisant l'ensemble des données collectées en 2011 (4.5 fb^{-1} à 7 TeV) et 2012 (20.3 fb^{-1} à 8 TeV) par le détecteur ATLAS. Les événements sont classifiés en fonction des objets produits en association avec le Higgs : deux jets pour la production VBF, lepton et énergie transverse manquante pour le higgsstrahlung (WH et ZH) et jets de b pour le ttH, les événements restants étant produits majoritairement par le processus de production dominant ggH. L'impact de la modélisation du moment transverse du Higgs, dans son mode de production par fusion de gluons, est aussi estimé. Les derniers développements théoriques dans ce domaine permettent d'atteindre une précision à l'ordre NNLO+NNLL (QCD), avec la prise en compte de l'effet des masses finies des quarks top et bottom dans la boucle jusqu'à l'ordre NLO+NLL, implémentée dans le programme HRes. Une méthode de pondération est dérivée pour prendre en compte ces dernières avancées, en prenant en compte la corrélation avec le nombre de jets. Les résultats finaux sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard, en prenant en compte les barres d'erreur. A la masse mesurée par la combinaison des canaux diphoton et quatre leptons dans ATLAS, mH = 125.4 +/- 0.4 GeV, la section efficace totale ramenée à celle attendue par le Modèle Standard est : mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(théorie) et le rapport du nombre d'événements mesurés pour chaque mode de production à celui prédit par le Modèle Standard est : mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(théorie) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(théorie) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(théorie) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(théorie) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(théorie) / After the Higgs boson discovery in the first LHC data, the focus is now on its properties measurement. Among these properties, its couplings are of particular importance since any deviation from the expected value can be an indication of new physics, beyond the Standard Model. This thesis is oriented towards the Higgs couplings measurements with the ATLAS experiment, using the diphoton decay channel. Selected diphoton events are classified into different categories to disentangle the five Higgs production modes by tagging the objects produced in association with the Higgs boson: two jets for the VBF production mode, lepton and missing transverse energy for the higgsstrahlung (WH and ZH), b-jets for ttH, the remaining events being mostly produced via the dominant production mode ggH. The impact of the Higgs pT modelling in the ggH production mode is also investigated. Theoretical developments provide predictions of the pT shape at NNLO+NNLL accuracy, including top and bottom mass effects in the loop up to NLO+NLL, implemented in the HRes program. A reweighting technique to take into account these latest theoretical improvements is derived, taking into consideration the correlation with the number of jets. Its impact on the final measurement is estimated to be of the order of a few percent. The final couplings results, measured at the Higgs mass obtained by the combination of the H->gamma gamma and H->ZZ*->4l channels in ATLAS (mH = 125.4 +/- 0.4 GeV) do not show any statistically significant deviation from the Standard Model. The observed signal strength mu = sigma^{obs} / sigma^{exp} is found to be: mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(theory). The ratio of the observed number of events in each production mode to the expected ones are measured at: mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(theory) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(theory) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(theory) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(theory) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(theory)

We present a search for lepton flavor violation processes at eμ final states with the data collected by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV in 2016 corresponding to the integrated luminosity of 35.9 fb^(-1). No evidence for physics beyond the Standard Model is observed in the eμ invariant mass spectrum, the results are interpreted in terms of three different models, an R-parity violating SUSY model (RPV), a heavy Z’ gauge boson model, and a quantum black hole model (QBH). The lower mass limits at 95\% confidence level (C.L.) are found.We also present a search for new high-mass resonances decaying into electron pair with CMS 2016 data. No evidence of signature beyond the Standard Model prediction in the ee invariant mass spectrum observed, therefore the lower mass limits at 95\% C.L. are found for predictions of sequential standard model, grand unify theory, Randall-Sundrum model.Then we update the results of lower mass limits with the combination of 2016 data in ee and μμ channels and 2017 data in ee channel.Further to these, a study of the vector charmonium-like state Y(4220) is performed by using a combined fit on the cross sections of e^+ e^-→ωχ_c0, e^+ e^-→π^+ π^- h_c, e^+ e^-→π^+ π^- J/ψ and e^+ e^-→D^0 D^(*-) π^++c.c. measured by the BESIII experiment. The mass and width of the Y(4220) are obtained, We find the lower limit of its leptonic decay width to be 30 eV. We also estimate its partial decay width to π^+ π^- J/ψ in different scenarios. These results can be compared with the theoretical expectations of different models, and help the understanding of the nature of the Y(4220) state. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les premières années d’opération du LHC à 7 et 8 TeV ont permis de tester de nombreux aspects du modèle standard (MS) de la physique des particules avec comme point d’orgue la découverte d’un boson scalaire compatible avec celui du MS. Cependant, malgré son succès, le MS n’explique pas tout. De nombreux modèles essayent donc de combler les manques du MS et certains requièrent un secteur scalaire étendu. Cette thèse étudie ce secteur scalaire et présente en particulier la recherche d’un nouveau boson scalaire massif en utilisant les 35,9 fb-1 de données récoltées au LHC à 13 TeV en 2016. Cette recherche se concentre sur le processus H→ZZ→2l2ν où l est un electron ou un muon, et ν un neutrino. Une analyse statistique des distributions de masse transverse du boson (Z→l^+ l^-) reconstruit et de l’énergie transverse manquante est réalisée en catégories de jets et de saveurs de lepton après une sélection des événements dans le but de faire sortir un signal potentiel par rapport aux bruits de fond. Divers scenarios de masse, largeur et de mode de productions sont testés pour un boson scalaire H et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour une gamme de masses allant de 300 GeV à 3 TeV. Des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur la section efficace σ(pp→H→ZZ) sont établies. Ces résultats sont combinés avec deux autres canaux étudiés par la collaboration CMS :H→ZZ→4l et H→ZZ→2l2q, où q représente un quark. Cette combinaison est publiée (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour des masses entre 130 GeV et 3 TeV. Un bruit de fond majeur pour cette analyse est le bruit de fond instrumental Z+jets. Son estimation est faite non pas par simulation mais en utilisant les données récoltées par CMS. Un chapitre entier est dédié à l’étude de ce bruit de fond et les incertitudes sur celui-ci sont estimées en détails pour la première fois. En particulier les sources d’incertitudes sont divisées en celles d’origine statistique, systématique et celles inhérentes à la méthode d’estimation de ce bruit de fond. Elles sont respectivement de l’ordre de 50%, 50% et 10%. / The first years of operation of the LHC at 7 and 8TeV (run 1) allowed to probemany aspects of the Standard Model (SM) of particle physics, confirming many predictions up to a high level of precision. An awaited event was the discovery of a scalar boson compatible with the SM in 2012. However, despite its success, the SM cannot explain everything on its own. Models going beyond the SM try to address such issues, and in particular classes of BSM theories require an extended scalar sector.The scope of this thesis falls within the direct search for heavy BSM scalar boson(H) using 35,9 fb-1 of data taken at LHC at 13TeV during 2016 operations. Inparticular, the thesis focuses on H→ZZ→2l2ν where l is an electron or a muon, and ν a neutrino.A statistical analysis of the transversemass distributions of the reconstructed Z boson and the missing transverse energy isperformed in categories of jet and lepton flavour after selecting events in order to enhancethe number of potential signal events in comparison to background events. Variousscenarii of masses, widths and production mechanisms (gluon fusion and vector boson fusion) are tested and no excess is observed in data compared to backgroundestimations for a scalar mass between 300 GeV and 3TeV. Upper exclusion limits onthe cross section of a potential signal are set using the CLs method.The results of this analysis are combined with two other channels studied by theCMS collaboration: H→ZZ→4l and H→ZZ→2l2q, where q is a quark.This combinationhas been published (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) and no significanthint for BSM physics is observed for a scalar mass between 130 GeV and 3TeV.A critical background to control for this analysis is the Z+jet background. Its estimation is done using a data-driven method.A full chapter is dedicated to the study of this background. The present thesis is the first time that the uncertainties on the data-driven estimationof the Z+jet background are estimated in detail. Uncertainties are dividedinto statistical uncertainties, systematic uncertainties and uncertainties inherent to themethod, the latter being computed from a closure test of the method and evaluated to10%. The relative statistical and systematic uncertainties are both of the order of 50%. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La quête de la nouvelle physique est un défi impliquant à la fois la recherche de particules de matière noire dans les halos galactiques, et celle, aux collisonneurs, de particules dont l’existence est prédite par des théories au-delà du Modèle Standard, telles que la supersymétrie. Alors que les contraintes expérimentales sur ces particules s’intensifient, il devient capital de combiner les limites provenant de ces deux volets afin de guider la suite des recherches. Pour ce faire, il est indispensable d’évaluer et de tenir compte correctement des incertitudes astrophysiques, cosmologiques et nucléaires, pourtant souvent ignorées. La première partie de cette thèse est dédiée à l’étude de ces incertitudes et leur impact sur les contraintes obtenues en supersymétrie, ainsi que la complémentarité entre les contraintes des collisionneurs et de matière noire pour la recherche de nouvelle physique. La deuxième partie est consacrée au développement d’outils de calculs pour les détections directe et indirecte de matière noire, conçus afin de prendre correctement en compte les incertitudes astrophysiques et nucléaires, et à leur implémentation dans le code public SuperIso Relic. Enfin la troisième partie du travail concerne l’étude des implications cosmologiques d’une éventuelle découverte de nouvelles particules aux collisionneurs. Nous avons montré qu’il serait possible de tester les hypothèses du modèle cosmologique standard et d’obtenir des informations sur les propriétés de l’Univers primordial à une époque observationnellement inaccessible / The quest for new physics is a challenging task which involves, on the one hand, the search for dark matter particles from space, and on the other hand, the search at colliders for particles predicted by theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry. With the experimental constraints on new particles getting stronger, it becomes crucial to combine the limits from both sectors in order to guide future searches. To this end, it is essential to estimate and take into account correctly the astrophysical, nuclear and cosmological uncertainties, which are most often ignored. The first part of this thesis is dedicated to the study of such uncertainties and to their impact on the constraints applied on supersymmetry. Moreover, we investigate the interplay between the constraints from colliders and dark matter searches in some detail. The second part concerns the development and the implementation in the public code SuperIso Relic of numerical tools for the calculation of direct and indirect dark matter detection constraints which were designed specifically to take correctly into account astrophysical and nuclear uncertainties. Finally, in the third part of this work, we consider the cosmological implications of a hypothetical discovery of new particles at colliders. We show that it would be possible to test the assumptions of the standard cosmological model and to obtain information on the properties of the primordial Universe at an epoch which is beyond observational reach

La première partie de ce document concerne mes activités dans le domaine de la physique des particules auprès des collisionneurs LEP et LHC et la deuxième est dédiée à mon activité plus récente dans le domaine des ondes gravitationnelles avec l'expérience Virgo.<br /><br />Ma thèse a porté sur la mesure de l'un des paramètres (Rl) de la résonance du boson Z à LEP avec l'expérience ALEPH. J'ai ensuite contribué à la mesure et à la combinaison de l'ensemble des paramètres de la résonance du Z ainsi qu'à l'extraction de paramètres du Modèle Standard de physique des particules à partir de ces mesures (masse du boson de Higgs, masse du quark top, constante de couplage fort). <br />En parallèle avec cette activité j'ai participé aux développements et tests du détecteur de pied de gerbe de l'expérience CMS au LHC. Ce détecteur sera particulièrement utile pour la réduction du bruit de fond dans la recherche du boson de Higgs avec sa désintégration en deux photons. Mon travail a principalement consisté à déterminer les performances du détecteur (résolution en énergie) en faisceau test, à effectuer une étude pour son électronique de lecture, et à décrire ce détecteur et la reconstruction des dépôts d'énergie dans le logiciel de reconstruction d'événements de CMS.<br /><br />J'ai ensuite abordé une autre thématique avec la recherche d'ondes gravitationnelles par interférométrie avec l'expérience Virgo. J'ai tout d'abord eu la charge de l'adaptation du système de détection (système optique, électronique de lecture des photodiodes et contrôle de l'ensemble) lors d'un changement de configuration de l'interféromètre. Je me suis ensuite fortement impliquée dans la phase de mise au point de l'interféromètre dont l'un des buts est d'amener l'interféromètre à sa sensibilité nominale. Je contribue essentiellement à cette phase avec: la responsabilité de sa caractérisation optique, la responsabilité du système de détection ainsi que la compréhension des bruits techniques limitant la sensibilité de l'interféromètre. L'étude des bruits techniques a fait l'objet d'une thèse que j'ai co-encadré.

Le Modèle Standard de la physique des particules postule l'existence d'un champ doublet scalaire de Higgs, qui après brisure de symétrie électro-faible, donne lieu à la présence d'une particule scalaire neutre, le boson de Higgs. Les recherches directes par les expériences LEP imposent une masse de ce boson, s'il existe, supérieure à 114.5 GeV. Les mesures électro-faibles de précision, quant à elles, contraignent la masse du boson de Higgs, dans le Modèle Standard, à être inférieure à 144 GeV (95 % C.L.). Dans ce domaine de masse, la désintégration du boson de Higgs en deux photons est un des canaux les plus importants pour la recherche de ce boson dans le détecteur ATLAS. Ici, nous évaluons la possibilité d'étudier la production associée avec un boson Z ou W. Elle bénéficie d'un bon rapport signal sur bruit de fond et offre donc le potentiel d'être utilisé pour augmenter la signifiance statistique d'une possible découverte. Les processus de production associée permettront également la mesure des couplages du boson de Higgs aux bosons de l'interaction faible.