Des informations sur la nouvelle physique peuvent être extraites de plusieurs secteurs indépendants et en particulier : les recherches directes du Higgs et de nouvelles particules aux collisionneurs, qui sont entrées dans une nouvelle ère avec le démarrage du LHC, les informations indirectes des données de physique des saveurs, en utilisant les résultats obtenus aux usines à B et récemment aussi au LHC, et enfin les informations indirectes sur la densité relique de mati ère noire et les recherches directes de mati ère noire, en particulier au vu des résultats récents des expériences XENON, CoGENT, CRESST, ... Combiner les informations des différents secteurs est en effet riche d'implications et permet de réduire l'espace des paramètres des scénarios de nouvelle physique. Nous avons démontré l'existence de telles synergies dans le contexte de la supersymétrie pour différents scénarios contraints ainsi que pour un scénario plus g én éral du MSSM (pMSSM).

Les désintégrations B->l l sont supprimées d'hélicité et se produisent à travers des courants neutres changeant la saveur. Elles sont donc extrêmement rares dans le modèle standard (MS). La physique au-delà du MS pourrait donc modifier substantiellement la valeur des rapports d'embranchement prédits par le MS. Ces prédictions étant très précises, mesurer leur valeurs constitue un test incontournable du MS.Les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à l'établissement de la première évidence de la désintégration Bs->mu mu avec LHCb. Une méthode statistique a ete développée pour extraire et combiner les limites sur les rapports d'embranchement et calculer la signifiance des signaux. A partir de ces acquis statistiques, une méthode originale a été conçue pour re-optimiser les catégories dans lesquelles les candidats sont classés améliorant ainsi la sensibilité de l'analyse de 14%. D'autre part, une étude sur la phénoménologie des interférences entre le mélange de saveur des mésons Bs et leur désintégration a mis en évidence une subtile dépendance de l'analyse avec le modèle physique considéré. La prise en compte de cette dépendance permet de contraindre plus fortement la nouvelle physique. Enfin une méthode de reconstruction topologique inclusive des évènements a été développée et testée, notamment pour reconstruire les candidats Bs->tau tau avec tau->pi pi pi nu. / The B->l l decays are helicity suppressed and process through flavour changing neutral currents. They are extremely rare in the standard model (SM). Thus physics beyond SM could modify their branching ratio up to an observable level. As the theoretical predictions are very precise, these modes are golden channels to probe the SM.The works presented in this thesis have contributed to the establishment of the first evidence of the Bs->mu mu decay. A statistical method has been built to extract and combine limits on the decays branching fraction and to compute signals significance. On the basis of this work, an original method was developed to re-optimised the categories used to classified the candidates which improved the analysis sensitivity by 14%. A study of the interplay between the flavour mixing of the Bs and its decay demonstrated that the analysis results are model dependent. Accounting for this dependency allows to improve constraints on new physics. Finally, an inclusive topological reconstruction was developed and tested in particular to reconstruct Bs->tau tau candidates with tau->pi pi pi nu.

La théorie électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg est l'une des plus belles réussites de la théorie des champs ; elle est testée avec une grande précision dans les expériences de physique des particules. Néanmoins, cette théorie souffre de quelques insuffisances en ce sens qu'un certain nombre de paramètres, notamment ceux caractérisant la masse des particules élémentaires, prennent des valeurs peu naturelles au sens de 't Hooft. De surcroît, les forces de gravitation, dont la quantification pose de sérieuses difficultés, ne sont pas prises en compte. L'objet de cette thèse est l'étude de théories d'extension du modèle standard inspirées de la théorie des cordes. Cette étude possède un aspect théorique avec la construction de théories effectives décrivant la dynamique d'objets solitoniques de la théorie des cordes en couplage fort, et offre également une approche plus phénoménologique par l'examen des conséquences, observables à basse énergie, des symétries des théories à haute énergie : ces symétries pourraient par exemple être à l'origine de la hiérarchie de masse des fermions. Il est également montré comment caractériser le vide de la théorie des cordes en couplage fort par les propriétés géométriques de l'espace compactifié, caractérisation conduisant à une solution phénoménologiquement acceptable aux problèmes de l'unification de la gravitation et de la brisure spontanée de la supergravité.

Ce document se concentre sur QCD à basse énergie (en dessous de 1 GeV) où la brisure de la symétrie chirale prend place, expliquant l'existence d'un octet de mésons pseudoscalaires légers (pi,K, eta). La dynamique de ces états est reliée à la manière dont la symétrie chirale est brisée. La hiérarchie de masse particulière des quarks légers permet de considérer (et de comparer) deux limites chirales différentes et intéressantes, avec m_u=m_d=0 et m_s conservé à sa masse physique (N_f=2 saveurs de masse nulle) ou m_u=m_d=m_s=0 (N_f=3 saveurs de masse nulle). Les paramètres d'ordre chiraux associés sont discutés en termes de l'opérateur de Dirac euclidien, soulignant le rôle du déterminant fermionique et des paires de quark étranges dans la mer, et indiquant que les paramètres d'ordre doivent décroître quand on passe de la limite chirale N_f=2 à N_f=3. On étudie ensuite les conséquences de cette suppression pour la théorie effective de QCD à basse énergie, i.e. la théorie chirale des perturbations, en particulier les conditions dans lesquelles les séries chirales sont saturées par leur premier ordre. On montre que les constantes de basse énergie L_4 et L_6, apparaissant au premier ordre sous-dominant, supprimées par la règle de Zweig dans le secteur scalaire mais magnifiées par la grande valeur du quark étrange, jouent un rôle essentiel. Plusieurs sources d'information sont ensuite analysées: une règle de somme reliée à la dépendence du condensat chiral N_f=2 sur la masse du quark étrange indique une variation importante depuis m_s=0 jusqu'à la valeur physique, des simulations sur réseau étudiant la dépendance d'observables pseudoscalaires sur les masses de quarks montrent une suppression des contributions d'ordre dominant par rapport au premier ordre sous-dominant dans les séries chirales, la comparaison des données sur les diffusions pi-pi et pi-K à basse énergie témoigne de différences importantes entre les brisures de symétrie chirale pour N_f=2 et N_f=3 saveurs de masse nulle. Tous ces éléments suggèrent de reprendre soigneusement les hypothèses de convergence généralement posées pour la théorie chirale des perturbations N_f=3, une étude pour laquelle un cadre d'analyse est proposé.

Ce travail de thèse porte sur l’identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l’échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l’expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d’entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n’ont pas été observés précédemment. Il s’agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l’efficacité de l’outil de séparation π0/γ de l’expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l’étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d’augmenter significativement l’efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L’échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d’événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d’un sous-échantillon à l’autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s’agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0. / This thesis work is about the identification of charmless three-body decays of neutral B mesons with a π0 in the final state (B0d,s → h+h′−π0) through the analysis of a 1.0 fb−1 data sample collected in 2011 by the LHCb experiment at the LHC. Those modes are sensitive to CKM parameters and allow to test Standard Model predictions related to CP violation. Some of them, such as B0 s → K−π+π0 and B0 s → K+K−π0, have not been observed previously. This is the first analysis with energetic π0 in LHCb. To evaluate the detector performance for π0, D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ decays have been selected. This provides a clean and high statistics sample of neutral pions used to study their energy calibration as well as the effectiveness of the π0/γ separation tool of the experiment. Radiative decays are indeed the most dangerous backgrounds for the study of B0 d,s → h+h′−π0 modes. To select B0 d,s → h+h′−π0 events, a dedicated trigger algorithm has been implemented. It complements the standard online selections and significantly improves the efficiency. Offline, obvious backgrounds, mainly from charm decays, are rejected applying simple criteria. The sample is then further purified using a multivariate classifier. At last, information from the ring imaging Cherenkov detectors allows to separate π+π−π0, K±π∓π0 and K+K−π0 final states. A simultaneous fit of the reconstructed B mass spectra in the three subsamples is used to extract the signal yields. It accounts for the different backgrounds remaining as well as for the signal crossfeeds from one subsample to the other. The B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 and B0 s → K+K−π0 contributions are clearly established. This is the first observation of the B0 s → K+K−π0 decay mode.

Ce travail de thèse porte sur l'identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un $\pi^0$ ($B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$) en analysant l'échantillon de données de 1.0 fb$^{-1}$ collecté en 2011 par l'expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d'entre eux, tels que $B_s^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ et $B_s^0 \to K^+K^-\pi^0$, n'ont pas été observés précédemment. Il s'agit de la première analyse avec des $\pi^0$ énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au $\pi^0$, des désintégrations $D^{*+} \to D^0 ( \to K^- \pi^+ \pi^0 ) \pi^+$ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l'efficacité de l'outil de séparation $\pi^0 / \gamma$ de l'expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l'étude des modes $B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$. Pour sélectionner les événements $B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d'augmenter significativement l'efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L'échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals $\pi^+\pi^-\pi^0$, $K^{\pm}\pi^{\mp}\pi^0$ et $K^+K^-\pi^0$. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d'événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d'un sous-échantillon à l'autre. Les contributions des modes $B^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0$, $B^0 \to K^+\pi^-\pi^0$ et $B_s^0 \to K^+K^ \pi^0$ sont clairement établies. Il s'agit de la première observation du mode de désintégration $B_s^0 \to K^+K^-\pi^0$.

Ce travail de thèse porte sur l'identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l'échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l'expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d'entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n'ont pas été observés précédemment. Il s'agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l'efficacité de l'outil de séparation π0/γ de l'expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l'étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d'augmenter significativement l'efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L'échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d'événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d'un sous-échantillon à l'autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s'agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0.

Les états de charmonium fournissent une source de connaissances pertinente pour déterminer les paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Un aspect important de la compréhension et des tests de la QCD est de faire des prédictions précises du spectre des hadrons et de les tester par rapport à des données expérimentales de haute qualité. Notre cadre théorique est Lattice QCD, qui est considéré comme le seul moyen connu de traiter le lagrangien QCD complet de manière non perturbative et bien adaptée au calcul numérique. En utilisant l'action Wilson-Clover avec N_f = 2 saveurs dynamiques, nous étudierons les deux mésons charmonium eta_c et J/\psi. Nous allons également étudier certaines propriétés de leur première excitation radiale eta_c (2S) et \psi(2S). / Charmonium states provide a relevant source of knowledge for determining fundamental parameters of the Standard Model. An important aspect of understanding Quantum ChromoDynamics (QCD) is to make precise predictions of the hadron spectrum and to test them against high-quality experimental data. Our theoretical framework is Lattice QCD, which is considered to be the only known way to treat the full QCD Lagrangian non perturbatively from first principles, in a manner well suited to numerical computation. By using the Wilson-Clover action with N_f = 2 dynamical flavors, we will study the two charmonium mesons eta_c and J/\psi. We will also investigate some properties of their first radial excitations eta_c(2S) and psi(2S).

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.

Le mélange des quarks est décrit dans le modèle standard de la physique des particules par le mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). À ce jour, l'angle gamma du triangle d'unitarité est un des paramètres de ce mécanisme mesuré avec la moins bonne précision. La mesure de cet angle sert de référence pour le modèle standard, puisqu'elle peut être réalisée sans contribution significative de nouvelle physique. La précision actuelle de la meilleure mesure directe de gamma est d'environ 10°, alors que les ajustements globaux des paramètres CKM, potentiellement sujets à une contribution de nouvelle physique, déterminent cet angle à quelques degrés près. Par conséquent, une mesure directe précise de cette quantité est nécessaire pour contraindre d'avantage le triangle d'unitarité de la matrice CKM et ainsi tester la cohérence de ce modèle. Cette thèse présente une mesure de gamma par une analyse de Dalitz du canal B0->DK*0, avec une désintégration du méson D en K0Spipi. Elle est basée sur les 3 fb⁻¹ de données enregistrés par LHCb pendant le Run I du LHC, à une énergie de collision proton-proton dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Ce canal est sensible à gamma par l'interférence entre les transitions b->u et b->c. La mesure des observables de violation de CP réalisée est x- = -0.09 ^{+0.13}_{-0.13} ± 0.09 ± 0.01 , x+ = -0.10 ^{+0.27}_{-0.26} ± 0.06 ± 0.01 , y- = 0.23 ^{+0.15}_{-0.16} ± 0.04 ± 0.01 , y+ = -0.74 ^{+0.23}_{-0.26} ± 0.07 ± 0.01 , où le première incertitude est statistique, la deuxième est l'incertitude systématique expérimentale et la troisième est l'incertitude systématique venant du modèle de Dalitz. Une interprétation fréquentiste de ces observables donne rB0 = 0.39 ± 0.13 , deltaB0 = ( 186^{+24}_{-23} )° , gamma = ( 77^{+23}_{-24})° , où rB0 est le module du rapport des amplitudes des désintégrations supprimées et favorisées et deltaB0 la différence de phase forte entre ces deux désintégrations. Par ailleurs, un travail sur l'optimisation de la reconstruction des photons pour la mise à niveau du détecteur LHCb est aussi présenté. Lors du Run III du LHC, la luminosité instantanée reçue par LHCb sera augmentée d'un facteur cinq, générant un plus grand recouvrement entre les cascades se développant dans le calorimètre électromagnétique. L'étude montre que l'effet de ce recouvrement entre les gerbes est limité en réduisant la taille des clusters utilisés pour la détection des photons, tout en évitant une diminution significative de l'énergie reconstruite. Avec des corrections adaptées, la nouvelle reconstruction développée améliore la résolution en masse de 7 à 12%, suivant la région du calorimètre considérée. / Quark mixing is described in the standard model of particle physics with the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa mecanism. The angle gamma of the unitarity triangle is one of the parameters of this mecanism that is still determined with a large uncertainty. It can be measured without significant contribution of new physics, making it a standard model key measurement. The current precision of the best direct measurement of gamma is approximately 10°, whereas the global fits of the CKM parameters determine this angle up to a few degrees. Therefore precise measurement of this quantity is needed to further constrain the Unitarity Triangle of the CKM matrix, and check the consistency of the theory. This thesis reports a measurement of gamma with a Dalitz analysis of the B0->DK*0 channel where the D meson decays into K0Spipi, based on the 3 fb⁻¹ of proton-proton collision data collected by LHCb during the LHC Run I, at the centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV. This channel is sensitive to gamma through the interference between the b->u and b->c transitions. The CP violation observables are measured to be x- = -0.09 ^{+0.13}_{-0.13} ± 0.09 ± 0.01 , x+ = -0.10 ^{+0.27}_{-0.26} ± 0.06 ± 0.01 , y- = 0.23 ^{+0.15}_{-0.16} ± 0.04 ± 0.01 , y+ = -0.74 ^{+0.23}_{-0.26} ± 0.07 ± 0.01 , where the first uncertainty is statistical, the second is the experimental systematic uncertainty and the third is the systematic uncertainty due to the Dalitz model. A frequentist interpretation of these observables leads to rB0 = 0.39±0.13 , deltaB0 = ( 186^{+24}_{-23} )°, gamma = ( 77^{+23}_{-24} )° , where rB0 is the magnitude of the ratio between the suppressed and favoured decays and deltaB0 the strong phase difference between these two decays. In addition, the work performed on the optimisation of the photon reconstruction for the upgraded LHCb detector is reported. During LHC Run III, the LHCb instantaneous luminosity will be increased by a factor five, implying a larger shower overlap in the electromagnetic calorimeter. The study shows that reducing the cluster size used in the photon reconstruction limits the effect of the overlap between the showers, without inducing a significant energy leakage. With some dedicated corrections, the new cluster reconstruction improves the Bs->Phi gamma mass resolution by 7 to 12%, depending on the calorimeter region.