This thesis will present results on the measurement of Z boson production in the electron channel associated with b-jets in proton-proton collision at 13 TeV, a measurement of fundamental interest in precision measurements and physics searches. This measurement represents important precision tests of perturbative QCD and provides information related to the b-quark inside of the proton. This measurement also represents one of the main sources of background in top quark production studies, Higgs precision measurements and the search for supersymmetric particles. The results on cross section measurements and kinematic distributions presented in this work have been unfolded to particle level and are compared to the four and five flavor schemes in Monte Carlo generators, showing that the predictions are consistent within the experimental uncertainties. In this thesis it will be also shown results of the development of the new event selection system proposed for high luminosity measurements. This system will be implemented during the second LHC long shutdown (2019-2020), which involves studies on the reconstruction of electrons using the concept of supercells, where the fine granularity of the cells of the ATLAS Liquid Argon detector is exploited to mitigate the problems to be found in high luminosity conditions. One of the problems is the increase of pile-up, caused by secondary collisions of protons in the same event, generating a large number of low pT jets that can be erroneously identified as electrons. The studies in this work introduce new discriminants based on the electromagnetic shower shape, showing that is possible to further reduce the rate of low pT jets maintaining a good performance on electron reconstruction. / Esta tese apresentará resultados da medida da produção de bósons Z no canal de elétrons associado com jatos b em colisões próton-próton a 13 TeV, uma medida de fundamental interesse em medidas de precisão e buscas por nova física. Essa medida representa importantes testes de precisão da QCD perturbativa e prove informações relacionadas ao quark b dentro do próton. Essa medida também representa uma das principais fontes de background na produção do quark top, medidas de precisão do Higgs e na busca de partículas supersimétricas. Os resultados na medida da seção de choque e distribuições cinemáticas apresentadas neste trabalho são comparados com os esquemas de quatro e cinco sabores nos geradores Monte Carlo, mostrando que as predições são consistentes dentro das incertezas experimentais. Nesta tese também serão apresentados estudos do desenvolvimento de um sistema de seleção de eventos proposto para medidas em alta luminosidade. Esse sistema será implementado durante o segundo LHC long shutdown (2019-2020), envolvendo estudos na reconstrução de elétrons usando o conceito de supercélulas, onde a fina granularidade das células do detector de Argônio Líquido do ATLAS será aproveitada para mitigar as dificuldades que se terão em condições de alta luminosidade. Um dos problemas é o aumento do empilhamento (pile-up), causado por colisões secundárias de prótons no mesmo evento, gerando uma grande quantidade de jatos de baixo pT que podem ser erroneamente identificados como elétrons. Os estudos neste trabalho apresentam novos discriminantes com base na forma da cascata eletromagnética, mostrando que é possível reduzir ainda mais a taxa de jatos de baixo pT mantendo uma boa reconstrução de elétrons.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée / The Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organisation for Nuclear Research) has been in operation since 2009 at the border between France and Switzerland. This particle accelerator has provided a significant quantity of proton-proton collisions, at center of mass energies of 7 TeV (2010 and 2011) and 8 TeV (since April 2012). One of the purposes of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which records and analyses those collisions, is the search for Higgs bosons. In the Standard Model, this particle would be the quantum of the Higgs field, thought to explain the electroweak symmetry-breaking mechanism. One of the most sensitive channels for the search for a light Higgs boson (i.e. for masses between 90 GeV=c2 and 150 GeV=c2) at the LHC is through its decay into two photons. Indeed, the production of two highly energetic and isolated photons in the final state is a clean signal in hadronic collisions, despite the small branching ratio. Moreover, at these masses, the width of the reconstructed invariant mass peak is dominated by the detector resolution. Hence, a precise understanding of the photon object as reconstructed by the experiment is required. The first part of the work presented here is the study of radiative decays Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ these decays are the only Standard Model source of high purity certified photons, for which the transverse momentum of the photon is relatively similar to the one of the photons coming from a Higgs boson decay. The study of these decays enables the determination of the differential photon energy scale in the 7 TeV data. These decays have also been used in the 8 TeV data as a validation tool of photon cluster shape variables in the simulation, and also as a way to determine the electron rejection criteria efficiency. The second part of the work concerns the search for a Higgs boson decaying into two photons. This search is done in several event classes in order to increase the sensitivity of the analysis, the study of the class separation procedure is presented. Finally, a benchmark study for the search for a Higgs boson decaying into two photons via vector-like top-partner decays at 14 TeV has been performed

This thesis will present results on the measurement of Z boson production in the electron channel associated with b-jets in proton-proton collision at 13 TeV, a measurement of fundamental interest in precision measurements and physics searches. This measurement represents important precision tests of perturbative QCD and provides information related to the b-quark inside of the proton. This measurement also represents one of the main sources of background in top quark production studies, Higgs precision measurements and the search for supersymmetric particles. The results on cross section measurements and kinematic distributions presented in this work have been unfolded to particle level and are compared to the four and five flavor schemes in Monte Carlo generators, showing that the predictions are consistent within the experimental uncertainties. In this thesis it will be also shown results of the development of the new event selection system proposed for high luminosity measurements. This system will be implemented during the second LHC long shutdown (2019-2020), which involves studies on the reconstruction of electrons using the concept of supercells, where the fine granularity of the cells of the ATLAS Liquid Argon detector is exploited to mitigate the problems to be found in high luminosity conditions. One of the problems is the increase of pile-up, caused by secondary collisions of protons in the same event, generating a large number of low pT jets that can be erroneously identified as electrons. The studies in this work introduce new discriminants based on the electromagnetic shower shape, showing that is possible to further reduce the rate of low pT jets maintaining a good performance on electron reconstruction. / Esta tese apresentará resultados da medida da produção de bósons Z no canal de elétrons associado com jatos b em colisões próton-próton a 13 TeV, uma medida de fundamental interesse em medidas de precisão e buscas por nova física. Essa medida representa importantes testes de precisão da QCD perturbativa e prove informações relacionadas ao quark b dentro do próton. Essa medida também representa uma das principais fontes de background na produção do quark top, medidas de precisão do Higgs e na busca de partículas supersimétricas. Os resultados na medida da seção de choque e distribuições cinemáticas apresentadas neste trabalho são comparados com os esquemas de quatro e cinco sabores nos geradores Monte Carlo, mostrando que as predições são consistentes dentro das incertezas experimentais. Nesta tese também serão apresentados estudos do desenvolvimento de um sistema de seleção de eventos proposto para medidas em alta luminosidade. Esse sistema será implementado durante o segundo LHC long shutdown (2019-2020), envolvendo estudos na reconstrução de elétrons usando o conceito de supercélulas, onde a fina granularidade das células do detector de Argônio Líquido do ATLAS será aproveitada para mitigar as dificuldades que se terão em condições de alta luminosidade. Um dos problemas é o aumento do empilhamento (pile-up), causado por colisões secundárias de prótons no mesmo evento, gerando uma grande quantidade de jatos de baixo pT que podem ser erroneamente identificados como elétrons. Os estudos neste trabalho apresentam novos discriminantes com base na forma da cascata eletromagnética, mostrando que é possível reduzir ainda mais a taxa de jatos de baixo pT mantendo uma boa reconstrução de elétrons.

L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid), construite sur l'anneau du LHC (Large Hadron Collider) a enregistré une quantité colossale de données provenant des collisions proton-proton de 2009 à 2012 à des énergies dans le centre de masse de 7 TeVet 8 TeV. Cette expérience est consacrée aux mesures de précision des paramètres du modèle standard, à l'étude du boson de Higgs ainsi qu'à la mise à l'épreuve de théories au-delà du modèle standard. Un certain nombre de ces théories prévoient l'existence de particules appelées leptoquarks, de nouveaux bosons se couplant à la fois aux leptons et au quarks. La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation du Modèle Standard des particules et à une introduction théorique aux leptoquarks. La seconde présente brièvement le fonctionnement du LHC et de l'expérience CMS. La troisième partie est dédiée au travail effectué dans le groupe générateur de CMS au cours de la première année de ma thèse. Cette mission consistait principalement à générer et à valider massivement des évènements Monte-Carlo avec le logiciel Madgraph pour l'ensemble de la collaboration CMS. Enfin, la dernière partie porte sur l'analyse de données et la recherche de paires de leptoquarks scalaires de troisième génération. Trois canaux de désintégration des LQ sont envisagés : en quark top et lepton tau, en quark top et neutrino et enfin en quark top et muon. Cette étude est basée sur l'ensemble des données enregistrées par l 'expérience CMS au cours de l'année 2012. Ce qui représente une luminosité intégrée totale de 19,7 fb. Différentes sélections basées sur au moins un lepton et de nombreux jets sont examinées afin de définir les régions présentant les meilleures efficacités de signal par rapport au fond du Modèle Standard. Enfin, une optimisation des coupures sur des variables très discriminantes est réalisée afin d'obtenir les meilleures limites à 95% de confiance sur les sections efficaces de production des leptoquarks. Aucun excès significatif par rapport aux prévisions du modèle standard n'a pu être mis en évidence ce qui a permis de poser des limites sur les sections efficaces de production des leptoquarks. Les leptoquarks de troisième génération sont exclus jusqu'à des masses de 320 GeV à 95 % de niveau de confiance pour le canal top tau, jusqu'à 240 GeV pour le canal top nu et jusqu'à 910 GeV pour le canal top mu / Installed on the LHC (Large Hadron Collider) ring, the CMS experiment (Compact Muon Solenoid) recorded a great amount of proton-proton collisions data from 2009 to 2012 at center of mass energies of 7 TeV and 8 TeV. This experiment was designed for precise measurements of the Standard Model parameters, for Higgs boson studies and to test theories beyond the standard model. Some of these theories foresee the existence of leptoquarks which are new bosons with couplings to both leptons and quarks. The first part of this thesis is dedicated to a presentation of the Standard Model and to a leptoquarks theoretical introducion. The second one briefly explains how the LHC and the CMS experiment work. The third part details the work accomplished during the first year of my thesis in the CMS generator group. Finaly, the last one deals with data analysis and the search of third generation leptoquarks pair production. Three LQ desintegration channels are investigated : to a top quark and a tau lepton, to a top quark and a neutrino and at last to a top quark and a muon. This study is based on the full integrated luminosity recorded during 2012, namely 19.7 fb. Various selections requiring at least one lepton and several jets are scrutinized in order to identify the regions with best signal efficiency regarding to Standard model backgrounds. Finally, a selection optimisation on discriminative variables is performed to extract the best 95 No significative excess with respect to Standard Model expectations was found. Thus we were able to set limits on the leptoquarks pair production cross sections. Third generation leptoquarks with masses below 320 GeV, 240 GeV and 910 GeV are excluded for the top tau, top nu and top mu channels, respectively

The proton, one of the basic constituents of atoms, was discovered around 1920. Its structure has been intensively studied since that time mainly with the help of proton- proton collision experiments. Main progress has started when corresponding experiments at the world's first hadron collider ISR at CERN which ran from 1971 to 1984 were performed. The understanding of the structure and interactions of this subatomic particle protons has been, however, rather incomplete. Only some very general models have been available especially in the case of higher collision energies when very different kinds of collisions have existed. Some very simplifying assumptions of unclear physical meaning have been then involved in models concerning elastic processes. The influence of these assumptions on physical interpretation has started to be studied and some progress has been made when the eikonal model has been proposed, i.e., the dependence of elastic collisions on corresponding impact parameter values has been taken into account from the beginning. However, even if some new results have been obtained many unanswered questions have remained. For example, the collision process has been denoted generally as probabilistic but corresponding probabilities have not been sufficiently defined and determined. The given thesis contains,...

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4≪(≪=e mu) a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> γγ. Un nouvel outil de discrimination γ/πi0 à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des π0 produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus γ+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus γγ+X est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> γγ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H γγ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus γγ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination γ/π0 sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->γγ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé. / The LHC (Large Hadron Collider) provides proton-proton collisions to CERN (European Organization for Nuclear Research) experiments at a 7 TeV center of mass energy since March 2010. The LHC has been designed in particular to allow the Higgs boson searches, particle predicted in the standard model but still not discovered until today, in the whole mass range where it is expected. This thesis is a contribution to the Higgs boson searches in CMS (Compact Muon Solenoid), one of the four big detectors at LHC. The thesis develops several tools which allow to measure the backgrounds and to improve the discovery potential. A new tool for recovery of photons emitted by leptons in the final state H --> ZZ(*) ->4≪(≪=eμ) has been developed in this thesis. This method recovers a variable number of photons per event, performs better than the method previously used in CMS and improves Z^0 and Higgs bosons mass resolution. A 5% gain on the significance to observe a Higgs boson in this channel is reached. The second part of this thesis deals with studies of the backgrounds and the searches for a light Higgs boson (110 < mH < 140 GeV) in the channel H --> γγ. A new tool for γ/πi0 discrimination with a neural network has been developed to reject photons coming from π0 decays, copiously produced in QCD jets. The neural network performance is examined in details. The neural network is then used as "template" variable to measure γ+X process in data with 10 nb−1 of integrated luminosity. The measurement of γγ+X process is also prepared with simulation in the luminosity hypothesis of 10 pb−1. Taking into account higher order kinematic effects is necessary to perform the best prediction of H -> γγ signal and backgrounds. In the thesis this is carried out with a reweighting method, at NNLO for gg -> H γγ process and for the first time at NLO for γγ +X process, in both cases with doubly differential distributions. Reweighting procedure and γ/πi0 neural network are then integrated in the H -> γγ analysis to improve CMS sensitivity in the standard model and beyond, thanks to an effective parameterization developed by phenomenologists we were working with

L’étude des mécanismes de production des quarkonia (J/ψ or Υ) dans les collisions proton-proton (pp) est intéressante car elle nécessite de prendre en compte les aspects perturbatifs et non perturbatifs de la ChromoDynamique Quantique (QCD). La production de quarkonia en fonction de la multiplicité des particules chargées a été mesurée pour la première fois dans les collisions pp avec le détecteur ALICE au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces mesures présentent une corrélation non triviale qui peut conduire à une meilleure compréhension du mécanisme d’interaction partonique multiple dans l’état initial de la collision ainsi que des effets collectifs possibles dans les petits systèmes. L’étude du dernier échantillon de données enregistré au LHC en collisions pp aux énergies les plus élevées jamais atteintes en laboratoire (√s=13 TeV) permettra d’étudier des événements à forte multiplicité. Avec ALICE, les quarkonia sont mesurés jusqu’à des impulsions transverses nulles. Les charmonia (J/ψ, cc̄ ) sont détectés par leur désintégration en diélectrons à mi-rapidité (|y|< 0.9) et en dimuons en rapidité vers l’avant (2.5 < y < 4). Les bottomonia (Υ, bb̄) sont détectées par leur décroissance en dimuons en rapidité vers l’avant. La multiplicité des particules chargées est mesurée à l’aide de segments de traces avec le détecteur de silicium à pixels pour |η|< 1. Dans cette thèse, nous présenterons les premières mesures réalisées avec ALICE des productions relatives d’Υ(1S) et Υ(2S) en fonction de la multiplicité des collisions pp à √s =13 TeV. Nous discuterons du rapport relatif des Υ(2S) par rapport aux Υ(1S) en fonction de la multiplicité des particules chargées. La comparaison entre les J/ψ et les Υ(1S) mesurés en rapidité avant en fonction de la multiplicité sera également examinée. Ces études permettront d’examiner la dépendance possible de la corrélation mesurée avec les différentes masses des quarkonia considérés et les différents types de contenus en quark. La dépendance du domaine en rapidité et de l’énergie de la collision sera également considérée. / The study of quarkonium (J/ψ or Υ) in proton-proton (pp) collisions is interesting as both perturbative and non perturbative aspects of Quantum ChromoDynamics (QCD) are involved in the production mechanism. The quarkonium production as a function of charged-particle multiplicity has been measured in a pp collisions with ALICE detector at the Large Hadron Collider (LHC). They exhibit a non-trivial correlation that can lead to a better understanding of the multi-parton interaction mechanism in the initial state of the collision as well as possible collective effects in small systems. Thestudy of latest data sample recorded at the LHC in pp collisions at the highest collision energies everreached in the laboratory (√s = 13 TeV) will allow to investigate high multiplicity events. In ALICE,quarkonia are measured down to zero transverse momentum. Charmonia (J/ψ, cc̄) are detected viatheir decay into di-electrons at mid-rapidity (|y|< 0.9) and dimuons at forward rapidity (2.5 < y < 4).Bottomonia (Υ, bb̄) are detected via their decay into dimuons at forward rapidity. Charged-particlemultiplicity is measured using track segments in the silicon pixel detector in |η|< 1. In this thesis, we will present the first ALICE measurements of relative Υ(1S) and Υ(2S) productions as a function of multiplicity in pp collisions at √s =13 TeV. We will discuss the ratio of the relative Υ(2S) overΥ(1S) as a function of charged-particle multiplicity. The comparison between the relative J/ψ andΥ(1S) yields measured at forward rapidity as a function of multiplicity will also be discussed. This will provide insight of possible dependence of the measured correlation with different mass and quark contents as well as the evolution with rapidity range and the collision energy.

Under the influence of standardly used (however, very simplified) description of Coulomb-hadronic interference proposed by West and Yennie (1968) the protons have been interpreted as "transparent" objects; elastic collisions have been interpreted as more central than inelastic ones. This property may be hardly put in agreement with the fact that in the majority of hadronic collisions many different particles have been created at high energies. Using the more general eikonal model it will be shown that the protons may be interpreted in agreement with usual conception; elastic processes being more peripheral than inelastic ones. The contemporary TOTEM experiment at the LHC accelerator in CERN devoted to measurement of elastic pp scattering and diffractive processes at the highest ever reached energies will be described. The eikonal model will be explained to greater details, generalized and applied to experimental data of elastic pp collisions under different assumptions at 52.8 GeV (older ISR data measured at CERN) and also at much higher energy of 8 TeV (new TOTEM data). The impact of different assumptions on determination of several quantities specifying hadron interaction will be studied. Mainly the assumptions influencing behaviour of elastic collisions in dependence on impact parameter of colliding...