Deux analyses de physique des particules à hautes énergies sont présentées dans ce manuscrit de thèse, utilisant des événements avec deux leptons de charges opposées et de l'énergie transverse manquante. Ces événements sont sélectionnés parmi 9.7 fb-1 de données totales de collisions pp enregistrées par le détecteur DØ auprès du collisionneur TeVatron du Fermilab à √s=1.96 TeV.La première analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en H→WW→μνμν. Aucun excès significatif au-dessus de l'attente pour le bruit de fond n'est observé.Des limites supérieures sur la section efficace de production du boson de Higgs sont donc calculées dans le cadre du modèle standard mais aussi dans l'hypothèse de l'existence d'une quatrième génération de fermions et dans le contexte de couplages fermiophobiques du boson de Higgs.Pour valider la méthodologie de cette recherche, la section efficace de production de la paire de bosons W est mesurée.La seconde analyse est la mesure de l'asymétrie avant-arrière de production de la paire tt. Il s'agit de la première mesure dans le canal dileptonique de l'expérience DØ. Dans ce contexte, une méthode inédite de reconstruction de la cinématique de la paire est utilisée (méthode des éléments de matrice) pour donner une mesure brute de l'asymétrie avant-arrière. A l'aide d'une méthode de calibration dédiée, nous donnons une mesure finale de AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique.

Le monde de l'infiniment petit est le domaine d'étude de la physique des articules. Cette physique s'attache à décrire de façon cohérente la nature et le comportement des particules élémentaires qui constituent la matière. Les accélérateurs (collisionneurs) de particules permettent de repousser toujours plus avant les connaissances dans ce domaine en produisant des particules, inobservables autrement, par le biais de collisions à très haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans cet axe de recherche et s'intéresse à l'étude du quark top qui est la dernière brique de matière découverte et la plus lourde particule élémentaire connue. La propriété étudiée, l'asymétrie de charge des paires de quark top-antitop, a suscité un vif intérêt par le passé (2011) au sein de la communauté du fait de mesures réalisées auprès du collisionneur Tevatron. Ces mesures ont dévoilé des déviations importantes par rapport aux prédictions réalisées dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. De nouvelles mesures de l'asymétrie de charge réalisées au Tevatron (auprès du détecteur D0) et au LHC (auprès du détecteur ATLAS) sont présentées dans cette thèse.

La polarisation du quark top produit par interaction électrofaible (single-top) en voie-t permet de tester la structure du vertex Wtb: le couplage vecteur gauche prévu dans le cadre du Modèle Standard (MS), ainsi que les couplages anormaux vecteur ou tenseur introduits par plusieurs théories au-delà du Modèle Standard. Le lot de données correspondant à une luminosité integrée de 4,7 fb-1 recolté dans les collisions proton-proton à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse offre une chance de mesurer la polarisation du quark top. Cette thèse traite de la mesure de la polarisation du quark top grâce à l'étude des distributions angulaires polarisées dans des bases spécifiques avec les événements single-top produits en voie-t. Au début du document, le contexte théorique de production du quark top par interaction forte et électrofaible au LHC est introduit. Ensuite, le détecteur, les performances de reconstruction ainsi que la sélection d'événements avec une signature single-top en voie-t, sont décrits. Les méthodes d' "unfolding" et de "folding" sont présentées et testées avec différentes configurations afin de mesurer la polarisation du quark top. Les résultats obtenus, ainsi que les incertitudes théorique, expérimentales et statistiques, sont examinées. Il s'agit de la première mesure de polarisation du quark top avec le détecteur ATLAS. Les résultats sont compatibles avec les prédictions MS, et contribuent donc à contraindre de maniére significative les couplages anormaux sur le vertex Wtb. / The top quark polarization in electroweak production for single top t-channel allows to test the structure of the Wtb vertex: the left-handed vector coupling of the Standard Model (SM) as well as the anomalous couplings including the right-handed vector, the left-handed tensor and the right-handed tensor couplings. The 4.7 fb-1 data recorded by the ATLAS detector at the LHC with the center of mass energy at 7 TeV in 2011 provides a chance to measure the top polarization. This thesis discusses the measurement of the top polarization by studying the polarized angular distributions in specific bases with t-channel single top events. In the beginning of the thesis, a theoretical context of the top quark production via the strong interaction and the electroweak interaction at the LHC is introduced. Then the detector, the reconstruction performances as well as the event selections with a single top t-channel event signature are described. To measure the top polarization, the unfolding and folding methods are constructed and tested with different configurations. In the end, the measured results are examined with the estimated uncertainties from the theory, the detector response and modeling as well as the statistics. This is the first measurement of the top polarization with the ATLAS detector. The results are compatible with the SM predictions and contribute signicantly to constrain the anomalous couplings in the Wtb vertex

Le modèle standard de la physique des particules, bien qu'étant une réussite incontestable n'explique toujours pas certaines observations, ce qui pourrais indiquer la présence d'une nouvelle physique. L'expérience ATLAS cherche à mettre en évidence ces nouveaux phénomènes en analysant les collisions de protons du LHC.Le prérequis pour toute analyse est d'avoir des données de bonne qualité. La première partie de cette thèse présente donc une étude sur les bouffées de bruit cohérent présentes dans les calorimètres à argon liquide d'ATLAS. Ce bruit a été traité pour garder un haut niveau de qualité des données.La deuxième partie de cette thèse se place dans le cadre de la recherche de nouvelle physique. Une résonance est cherchée dans le spectre en masse invariante des paires de quarks top. L'étude se concentre sur le cas des quarks top boostés se désintégrant de manière électronique. Cette topologie n'ayant jusqu'à présent pas été optimisée par la collaboration ATLAS, le travail de cette thèse a consisté à définir et développer une nouvelle méthode appelée "electron-in-jet removal" permettant d'améliorer la reconstruction des quarks top dans un tel régime.Cette méthode donne accès à des électrons qui auparavant étaient rejetés. Il faut donc mesurer les facteurs correctifs à appliquer pour corriger les imperfections de la simulation de ces électrons. Des mesures préliminaires de facteurs d'échelle d'identification sur les électrons se trouvant dans un jets ont ainsi été menées. Deux méthodes sont présentées ainsi qu'une réflexion sur les perspectives à apporter à ces mesures. / The standard model of particle physics is a very predictive theory, but it still fails to explain some observations and so leads to the idea of the existence of new physics. To discover it experimentally, the ATLAS collaboration analyses the proton-proton collisions provided by the LHC.Analyses need data of good quality. Hence, the first part of this document describes a work to characterize the coherent noise bursts observed in the liquid argon calorimeters of the ATLAS experiment. Such noise has been studied and cured to ensure a high level of data quality.The second part of this thesis takes place in the context of a new physics search using top quark pairs. This study is focused on the case where boosted top quarks decay electronically. The reconstruction of top quarks in such cases was never optimized by the ATLAS collaboration. Therefore this study has lead to the definition and implementation of a new method called "electron-in-jet removal" improving significantly the top quark reconstruction in such topologies.This new method gives access to electrons that were previously removed. The correction factor applied to correct the imperfections of the simulation should then be computed for those electrons. Some preliminary measurements have been performed for the cases where the electron is within a jet. Two methods are presented as well as thoughts about future implementations.

Le travail présenté dans cette thèse a pour sujet la mesure du seul mécanisme de production électrofaible de quark top qui n'ait pas encore été observé au collisionneur hadronique du CERN (LHC): la voie-s. L'intérêt réside dans la confirmation des prédictions du Modèle Standard, mais le but est aussi de contraindre plusieurs scénarios de nouvelle physique à partir de la combinaison de la section efficace voie-s avec celle des autres canaux de production single top, la voie-t et Wt. Après une introduction générale sur la physique du quark top et les dispositifs expérimentaux visant à la détection et la reconstruction des objets physiques, on présente deux analyses réalisées des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS `a une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Etant donné que la production de quark top en voie-s est caractérisée par une tr`es faible pureté et que, en même temps, elle est défavorisée au LHC puisque elle a lieu par annihilation quark-antiquark, une technique multi variée a été appliquée dans les deux cas afin de discriminer le signal. Pour l' étude à 7 TeV, relatif à une luminosité intégrée de 4.7 $fb^{-1}$, deux classificateurs basés sur des arbres de décision boostés sont entrainés contre les événements de bruits de fond principaux; une coupure appliquée sur un des discriminateurs met en oeuvre une sélection des événements, la distribution issue de l'autre discriminateur est ensuite employée dans un fit de maximum de vraisemblance. Cela permet de d'eriver une limite supérieure sur la section efficace voie-s de 21.5 pb (14.3 pb attendu), correspondant à une portée de 0.6 déviations standard (0.8 attendu). L'analyse à 8 TeV, qui est basée sur une luminosité intégrée de 20.3 $fb^{-1}$, repose sur une strat'egie plus simple: seulement un classificateur BDT est optimisé pour isoler le signal, après une préalable sélection des événements grâce `a de simples coupures. Sa distribution discriminante est ensuite ajustée aux données selon la même approche qu' `a 7 TeV, en considérant les incertitudes systématiques et statistiques pendant la génération de pseudo expériences. La portée de la mesure étant encore inférieure à trois déviations standard (1.5 $sigma$ observé et 1.4 attendu), seule une limite `a 95% C.L. peut être établie sur la section efficace; le résultat correspond `a 15.7 pb (7.9 pb attendu). / The work reported in this thesis is aimed at measuring with the ATLAS detector theonly mechanism of top quark electroweak production which has not yet been observedat the Large Hadron Collider: the s-channel. Its interest relies in the confirmationof the Standard Model predictions but, as well, in the possibility of constraining severalnew physics scenarios when comparing the s-channel cross section with the oneof the other single top production modes (the Wt and t-channel). After a generalintroduction upon top physics and the experimental setup employed for the detectionand the reconstruction of the physics objects, we present two analyses realizedwith proton-proton collisions collected by the ATLAS detector at a center of massenergy of 7 and 8 TeV. Since the s-channel production is characterized by a verylow purity and, at the same time, is not favoured at the LHC because it proceedsvia quark-antiquark annihilation, a multivariate approach is applied in both cases todiscriminate the signal. For the 7 TeV study, based on an integrated luminosity of4.7 fb−1, two boosted decision trees classifiers are optimized against the main sourcesof background; a cut realized on one of such discriminants implements a tight eventselection, after which the second output distribution is used for a maximum likelihoodfit to the data. This allows to set an upper limit on the s-channel cross section of21.5 pb (14.3 pb expected), corresponding to a significance of 0.6 standard deviations(0.8 expected). The 8 TeV analysis, based on an integrated luminosity of 20.3 fb−1,has a simpler strategy: only one boosted decision trees classifier is trained to isolatesignal after a preliminary cut-based selection; its output distribution is then fitted tothe data with the same approach than at 7 TeV, taking into account the systematicand statistical uncertainty via the generation of pseudoexperiments. The significanceof the s-channel measurement being lower than 3 σ (1.3 standard deviation observed,1.4 expected), only a 95% C.L. limit can be set on the cross section; the result ishowever improved and corresponds to 14.6 pb (7.9 pb expected).3

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique. / Discovered in 1995 at Fermilab, top quark is the last quark discovered. The measurement of its properties allows to test Standard Model predictions and to constraint Higgs boson mass. Due to its properties, the top quark is a privileged partner in the search for New Physics particles expected around TeV scale. This thesis, performed using the ATLAS detector at LHC, describes the different methods developed in order to measure precisely the top quark mass in its semileptonic decay. Two reconstruction methods are presented as well as a dedicated one based on Boosted Decision Trees. Its performances are quantified The precise measurement of the top quark mass needs a deep understanding of the jet energy scale. This thesis presents two strategies to calibrate light and b jets to the partonic scale. The performance of a kinematical fit applied to top mass measurement are presented. A precise measurement of the top quark mass is done using a calibrated scale to the partonic level.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.