L’étude des collisions à haute énergie par l’expérience ATLAS au Grand Collisioneur d’Hadrons (LHC, de l’anglais Large Hadron Collider) est essentielle pour tester la validité du modèle standard de la physique des particules (SM, de l’anglais Standard Model of particle physics), le cadre théorique actuel qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions, ainsi que pour établir des limites dans ses possibles extensions. Compte tenu du début de sa troisième période de prise de données et de la prochaine génération d’accélérateurs, l’expérience ATLAS est confrontée à des défis liés à la haute dimensionnalité des signaux enregistrés et à la grande quantité de données encore inexplorées. Dans ce contexte, l’utilisation de techniques d’apprentissage profond a un grand potentiel pour améliorer la performance de la classification des objets physiques à l’origine de ces signaux, ainsi que pour fournir de nouveaux outils pour effectuer une inférence statistique rapide à partir des données. Cette thèse présente des applications des techniques d’apprentissage profond dans l’algorithme d’identification des électrons, ainsi qu’une nouvelle stratégie de recherche de résonances dans les distributions de masse invariantes avec l’expérience ATLAS. Tout d’abord, de nouvelles mesures de l’efficacité de l’algorithme actuel d’identification des électrons sont présentés, en utilisant les données enregistrées au début du Run 3, ainsi que le retraitement des données du Run 2 avec la nouvelle version du logiciel utilisé par ATLAS. Une légère réduction des écarts entre les valeurs obtenues à partir des événements simulés et les données expérimentales est observée, une conséquence des améliorations apportées au logiciel utilisé par ATLAS avant le début du Run 3. Ensuite, le développement d’un nouvel algorithme d’identification des électrons est présenté, où les informations brutes du détecteur sont traitées sous forme d’images via un réseau neuronal convolutif. Une étude de l’importance de ses variables d’entrée montre la pertinence de toutes les variables considérées actuellement. En outre, le rejet de la classe de bruit de fond la plus importante diminue lorsqu’un modèle entrainé avec des exemples provenant des simulations est utilisé pour rejeter des examples obtenus à partir de données expérimentales. Nous montrons que ce pouvoir de rejet est récupéré si ces exemples de données sont incorporés dans la formation. Enfin, nous présentons une nouvelle stratégie de recherche de résonances dans des histogrammes de masse invariante. Elle utilise un réseau neuronal pour prédire de la signification statistique locale des résonances à partir des entrées dans l’histogramme. La mise en œuvre de cette méthode à l’aide de données de simulation réalistes donne de bons résultats, avec la prédiction de l’importance maximale au sein d’un histogramme ne présentant aucun biais et peu de variance. Les travaux visant à mettre en œuvre cette méthode dans le cadre de l’expérience ATLAS sont également présentés, y compris la production d’histogrammes de masse invariants à l’aide de données de simulation ATLAS. / The study of high-energy collisions by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is essential to test the validity of the Standard Model of particle physics (SM), the current theoretical framework that describes the fundamental particles and how they interact, as well as to constrain its possible extensions. In light of its third data-taking period and the next generation of accelerators, the ATLAS experiment faces challenges associated with the high-dimensionality of the recorded signals and the large amount of data still left unexplored. In this context, the use of deep learning techniques has great potential to enhance the performance of the classification of the physics objects that originate from these signals, as well as to provide new tools to perform fast statistical inference from the data. This thesis presents applications of these deep learning techniques to improve the electron identification algorithm performance, as well as a new strategy to search for resonances in invariant mass distributions with the ATLAS experiment. Firstly, new measurements of the efficiency of the current electron identification algorithm are presented, using data recorded at the beginning of Run 3, as well as the reprocessing of the Run 2 data with the new version of the ATLAS software. A small reduction on the discrepancies between the values obtained from MC simulated events and the data is observed, a consequence of the improvements made to the ATLAS software at the start of Run 3. Next, the development of a new electron identification algorithm is presented, where low-level detector information is processed in the form of images via a convolutional neural network. A study of the importance of its input features shows the relevance of all the current inputs considered. Furthermore, the rejection of the larger background class is decreased when a model trained with examples from simulated events is used to reject those obtained from experimental data. We show this rejection power is recovered if these data examples are incorporated into the training. Lastly, a novel strategy to search for resonances in invariant mass histograms is presented. It uses a neural network to predict the local statistical significance of resonances from its bin entries. The implementation of this method using realistic simulation data shows good results, with the prediction of the maximum significance within a histogram having no bias and a small variance. Work towards an implementation of this method within the ATLAS experiment is also presented, including the production of invariant mass histograms using ATLAS simulation data.

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

Depuis les années 1930, on sait que le noyau des atomes est composé de deux types de particules: les protons et les neutrons. Ces deux particules sont très similaires: d'une part le neutron est subtilement plus lourd (un pour mille) que le proton et d'autre part le proton porte une charge électrique positive tandis que le neutron est neutre. La petite différence de masse entre le neutron et le proton fourni l'énergie suffisante pour autoriser désintégration où un neutron se désintègre en un proton en émettant un électron et un anti-neutrino électronique. Aussi, le fait que le proton ne se désintègre pas assure la stabilité de l'atome d'hydrogène. De plus, on sait empiriquement que les paramètres de la désintégration déterminent la composition des noyaux d'atomes stables plus lourds que l'hydrogène. Il est donc raisonnable de penser que si la différence de masse entre le neutron et le proton était de signe opposé ou seulement légèrement différente, l'Univers visible serait surement très différent de celui que l'on connait. Il est donc essentiel de comprendre l'origine de cette différence de masse à partir des principes premiers de la physique. C'est à ce problème, et à des problèmes liés à celui-ci, qu'essaye de répondre ce travail. Dans la compréhension actuelle de la physique, les neutrons et les protons sont des particules composées de particules élémentaires appelées quark up (symbole u) et quark down (symbole d). Le proton est un état lié uud et le neutron est un état lié udd. Les quarks up et down sont deux particules similaires: elles sont toutes deux légères (de l'ordre de quelques MeV) et leurs charges électriques sont différentes. / .

Les détecteurs NEMO-3 et SuperNEMO ont été conçus pour la recherche de décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Ces détecteurs fournissent une approche unique dans la recherche des événements double bêta en combinant des mesures à la fois de trajectoires, de temps de vol et d'énergie. De plus, grâce à la séparation de la source double bêta du reste du système de détection, les détecteurs NEMO ont la possibilité d'étudier plusieurs isotopes double bêta avec une forte réjection du bruit de fond.Cette thèse présente plusieurs études réalisées dans le cadre de l'optimisation et la préparation du détecteur SuperNEMO, successeur de NEMO-3. La première concerne l'optimisation des performances du détecteur en fonction de la configuration mécanique de ses feuilles sources. La conclusion de cette étude est que les deux configurations considérées sont équivalentes. La seconde étude s'intéresse à l'un des principaux bruits de fond que constitue le radon dans la recherche des désintégrations double bêta. Cette étude a été concrétisée par le développement et l'implémentation d'un algorithme permettant l'identification et la mesure des événements provenant de ce bruit de fond. Le deuxième volet de cette thèse rapporte l'analyse des données de NEMO-3 pour rechercher les décroissances double bêta avec et sans émission de neutrino du Cd-116 vers les états excités du Sn-116. Ces décroissances n'ont jamais été observées à ce jour, et les limites obtenus sur les états excités (2+) et (0+) sont les premières utilisant le détecteur NEMO-3. / The NEMO-3 and SuperNEMO detectors have been designed to search for neutrinoless double beta decays. These detectors provide a unique approach combining a calorimetric and a tracking measurement of double beta events emitted by a separated isotopic source. This approach allows to search for neutrinoless double beta decays among several isotopes with good background rejection. This thesis presents many studies performed for the optimisation and the preparation of the SuperNEMO detector, successor of NEMO-3. The first study concerns the optimisation of the detector performances with respect to the design of the source foil. The conclusion of this study is that the two configurations considered are equivalent. The second study focuses on the radon which constitutes one of the main background to the search for double beta decays. In this study an algorithm has been developed and implemented to search for the alpha particle allowing the identification and the measurement of the radon events. The thesis is completed by an analysis of the NEMO-3 data to search for the double beta decay of Cd-116 via the excited state of Sn-116. These decays have never been observed up to date and the limits set on the excited states (2+) and (0+) are the first using the NEMO-3 detector.

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

La thèse est consacrée à l’étude de la diffraction en utilisant le détecteur ATLAS auprès du LHC. Après Une courte introduction à la physique diffractive incluant la diffraction « dure » et « molle », nous présentons la production diffractive exclusive qui est particulièrement intéressante pour produire des jets et le boson de Higgs. Le mécanisme décrit par le formalisme de Khoze Martin et Ryskin et celui de CHIDe sont décrits en détail. Les sources d’incertitude dans la description théorique sont encore importantes et une nouvelle mesure de la section efficace de production exclusive de jets au LHC permettra de réduire l’incertitude de la production diffractive de boson de Higgs à un facteur 2 à trois. La mesure de la production exclusive de pions pp ! p_+_−p permet de contraindre les modèles de manière plus précise en utilisant les détecteurs ALFA, qui sont utilisés dans l’expérience ATLAS pour la détection de protons diffusés dans les interactions élastiques et diffractives. Les détecteurs AFP décrits dans la dernière partie de la thèse, mesurant les protons dispersés après interaction diffractive sont présentés. Ils permettent d’étendre le programme de physique d’ATLAS, avec en particulier, la production centrale diffractive de boson W, ce qui rend possible une meilleure compréhension de la nature des échanges diffractifs. / The thesis is devoted to the study of diffractive physics with the ATLAS detector at the LHC. After a short introduction to diffractive physics including soft and hard diffraction, we discuss diffractive exclusive production at the LHC whichis particularly interesting for Higgs and jet production. The QCD mechanism described by the Khoze Martin Ryskin and the CHIDe models are elucidated in detail. The uncertainties on these models are still large and a new possible exclusive jetmeasurement at the LHC will allow to reduce the uncertainty on diffarctive Higgs boson production to a factor 2 to 3. An additional measurement of exclusive pion production pp ! p_+_−p allows to constrain further exclusive model relying on theuse of the ALFA stations, which are used in the ATLAS Experiment for detection of protons scattered in elastic and diffractive interactions. In the last part of the thesis, the AFP detectors, aiming at measuring the protons scattered in diffractive interactions, are presented. They allow to extend substantially the ATLAS physics programme. In particular, the study of the central diffractive W boson production process makes possible a better determination of the nature of diffractive exchanges.

Face à la nature inconnue de l'énergie noire et de la matière noire, des modèles à champ scalaire léger ont été proposés pour expliquer l'accélération tardive de l'expansion de l'Univers et l'apparente abondance de matière non baryonique dans l'Univers. Dans une première partie, cette thèse confronte de la façon la plus précise possible les données de cosmologie les plus récentes au modèle du Galiléon, une théorie de gravité modifiée possédant des propriétés théoriques particulièrement intéressantes. Des contraintes observationnelles sur les paramètres du modèle sont dérivées en utilisant les dernières mesures liées aux distances cosmologiques et à la croissance des grandes structures de l'Univers. Un bon accord est observé entre les données et les prédictions théoriques, faisant du Galiléon un modèle alternatif compétitif avec celui de la constante cosmologique. Dans une seconde partie, la production de Branons, particules scalaires candidates au statut de matière noire venant d'une théorie de dimensions supplémentaires, est recherchée dans les collisions proton-proton enregistrées en 2012 par l'expérience Compact Muon Solenoid auprès du Grand Collisionneur de Hadrons. Des événements présentant un photon et de l'énergie transverse manquante dans l'état final sont sélectionnés dans les données et comparés aux estimations des bruits de fonds attendus. Aucun excès d'événements n'étant observé, des limites expérimentales sur les paramètres de la théorie du Branon sont calculées. Elles sont les plus contraignantes à ce jour. Cette thèse se conclut par des arguments pour une description unifiée des deux modèles étudiés, dans le cadre des théories de dimensions supplémentaires. / The nature of dark energy and dark matter is still unknown today. Light scalar field models have been proposed to explain the late-time accelerated expansion of the Universe and the apparent abundance of non-baryonic matter. In the first part of this thesis, the Galileon theory, a well-posed modified gravity theory preserving the local gravitation thanks to the Vainshtein screening effect, is accurately tested against recent cosmological data. Observational constraints are derived on the model parameters using cosmological distance and growth rate of structure measurements. A good agreement is observed between data and theory predictions. The Galileon theory appears therefore as a promising alternative to the cosmological constant scenario. In the second part, the dark matter question is explored through an extra-dimension theory containing massive and stable scalar fields called Branons. Branon production is searched for in the proton-proton collisions that were collected by the Compact Muon Solenoid experiment in 2012 at the Large Hadron Collider. Events with a single photon and transverse missing energy are selected in this data set and compared to the Standard Model and instrumental background estimates. No signature of new physics is observed, so experimental limits on the Branon model parameters are derived. This thesis concludes with some ideas to reach an unified description of both models in the frame of extra-dimension theories.

L’étude des propriétés du boson de Higgs représente une excellente opportunité pour la recherche de Nouvelle Physique. En particulier, sa masse est mesurée avec une précision impressionnante, de l’ordre de 0.1%, tandis qu’elle est aussi prédite par certains modèles au-delà du Modèle Standard, notamment les modèles supersymétriques. Le but de cette thèse est de faire avancer le calcul des corrections radiatives aux masses des scalaires dans les modèles au-delà du Modèle Standard, ainsi que l’automatisation de ces calculs, afin d’établir ou d’améliorer les limites sur les couplages entre la Nouvelle Physique et le boson de Higgs. Nous calculons d’abord les corrections dominantes à deux boucles, de la forme O(alpha_s alpha_t), aux masses des scalaires neutres dans les modèles supersymétriques à jauginos de Dirac. Ensuite, nous montrons comment surmonter la Catastrophe des Bosons de Goldstone, un cas de divergences infrarouges dues aux bosons de Goldstones de masses nulles qui affecte les calculs de potentiels effectifs, d’équations « tadpoles » et d’énergies propres, en adoptant un schéma de renormalisation « on-shell » pour les masses des bosons de Goldstone. Nous illustrons la mise en œuvre numérique de notre solution dans le programme SARAH, et finalement, nous considérons le comportement aux hautes énergies de modèles non-supersymétriques avec des secteurs scalaires étendus. / The Standard Model-like Higgs boson provides an excellent setting for the indirect search of New Physics, through the study of its properties. In particular its mass is now measured with an astonishing precision, of the order of 0.1%, while being predicted in some models of Beyond the Standard Model (BSM) Physics, such as supersymmetric (SUSY) models. The main purpose of this thesis is to push further the calculation of radiative corrections to Higgs boson masses in BSM models, as well as the automation of these calculations, in order to set or improve constraints on New Physics coupling to the Higgs boson. A first chapter is devoted to the computation of the leading two-loop O (alpha_s alpha_t) corrections to neutral scalar masses in SUSY models with Dirac gauginos. Then, we show to address the Goldstone Boson Catastrophe -- a case of infra-red divergences due to massless Goldstone bosons that plague the calculation of effective potentials, tadpole equations, and self-energies -- in the context of general renormalisable field theories, by adopting an on-shell renormalisation scheme for the Goldstone masses. Afterwards, we illustrate the numerical implementation of our solution to the Goldstone Boson Catastrophe in the public tool SARAH. Finally, in a last chapter, we consider the high-scale behaviour of non-supersymmetric models with extended Higgs sectors.

Nous introduisons un formalisme adéquat pour étudier les collisions hadroniques dans la limite de haute énergie en chromodynamique quantique (QCD), et la transition vers le régime de saturation. Dans ce formalisme, nous redérivons les résultats connus nécessaires pour présenter nos recherches personnelles, et nous calculons différentes sections efficaces dans le contexte de la diffraction dure et de la production de particules. Nous étudions la transition vers le régime de saturation dans le cadre de l'équation BK; en particulier, nous dérivons certaines propriétés de ses solutions. Nous appliquons nos résultats à la diffusion profondément inélastique et nous montrons que, dans le domaine d'énergie du collisionneur HERA, les prédictions de la QCD à haute énergie sont en bon accord avec les données. Nous considérons aussi la production de jets dans les collisions hadroniques et discutons des possibilités de tester la saturation au LHC.

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