Résumé / Abstract

Une recherche du boson de Higgs est effectuée dans le canal WW → lνlν en utilisant l'ensemble des données de 2011 à une énergie dans le centre de masse de √s = 7 TeV et une partie des données de 2012 à 8 TeV prises par l'expérience ATLAS auprès du LHC. Les luminosités intégrées correspondantes sont 4.7 fb−1 et 5.8 fb−1, respectivement. L'analyse est effectuée avec des coupures. Plusieurs méthodes sont introduites pour estimer à partir des données la contribution de bruits de fond des différents processus afin de minimiser l'utilisation de simulation. Pour la contribution du bruit de fond top dans le canal dominant avec zéro jet, elle est estimée avec une méthode que nous avons proposée. Une autre méthode pour corriger la forme de la distribution de l'énergie transverse manquante dans les événements Drell-Yan à partir des événements W +jets est également présentée. En 2011, le boson de Higgs du modèle standard avec la masse du Higgs de 133 à 261 GeV est exclue à 95% de niveau de confiance, tandis que la plage d'exclusion prévue est de 127 à 234 GeV. En 2012, un excès d'événements au-dessus du bruit de fond attendu est observé dans une plage de masse autour de 125GeV. En combinant les deux échantillons, la probabilité minimale ("p-value") pour que l'hypothèse bruit de fond seul fournisse autant ou plus d'événements qu'observé dans les données est de 3 × 10−3, ce qui correspond à une signifiance statistique de 2,8 écarts types. Le taux de production mesuré du signal par rapport au taux prédit pour le boson de Higgs du modèle standard à mH = 125GeV est de 1,4 ± 0,5. La probabilité attendue pour un Higgs avec mH = 125GeV est de 0,01, soit de 2,3 écarts types. La limite d'exclusion d'un Higgs dans un modèle avec une quatrième génération est également présentée en utilisant une partie de l'échantillon de données 2011, la gamme de masse entre 120 GeV et 600 GeV a été exclue à 95% de niveau de confiance. Enfin, l'étude sur le temps de dérive dans le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS est effectuée en utilisant tous les échantillons de données du rayonnement cosmique, du faisceau splash et de collision. Les résultats ne montrent aucune non-uniformité significative sur la largeur de l'espace cellulaire mis à part un effet de "sagging" dans les régions de transition dû au poids du calorimètre.

Ce mémoire de maîtrise a pour objet une recherche de leptons lourds de quatrième génération avec les données prises par le détecteur ATLAS au LHC dans les collisions pp à $\sqrt{s}$ = 7 TeV et avec une luminosité intégrée de 1.02 fb$^{-1}$. Le processus étudié est la production au singulet de leptons lourds neutres de quatrième génération (N) par la voie du courant chargé suivi de la désintégration du celui-ci en un électron et un boson W : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), et dépend d'un paramètre de mélange $\xi^{2}$ avec un lepton léger. L'analyse passe par plusieurs étapes, soit l'utilisation de FeynRules pour construire le modèle pour ensuite générer des événements par MadGraph 5.1.2.4. Comme hypothèse de référence, on a choisi une masse de 100 GeV pour le lepton lourd neutre et $\xi_{Ne}^2$ = 0.19, donnant une section efficace de 0.312 pb pour une énergie au centre de masse de 7 TeV. Puisque la génération du signal s'est faite de manière privée à Montréal et non par la collaboration ATLAS, les résultats ne peuvent pas être reconnus officiellement. Sur la base de la simulation, avec des données correspondant à 1 fb$^{-1}$, la limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur la section efficace du signal est de 0.145 pb avec 0.294 pb pour un écart type($\sigma$) et 0.519 pb pour 2$\sigma$. La limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur $\xi_{Ne}^{2}$ de 0.09 pour une masse de 100 GeV. / This M.Sc. thesis describes a search for fourth generation heavy leptons using data from the ATLAS detector at LHC. The total integrated luminosity is 1.02 fb$^{-1}$ in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 7 TeV. This analysis study the single production of fourth generation neutral heavy lepton (N) via the charged channel and where W decays leptonically : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), which depends on the mixing element between the heavy lepton and the light lepton. The model of fourth generation leptons is constructed using FeynRules while the production of events is done by MadGraph 5.1.2.4. As point of reference, we chose a mass of 100 GeV for the fourth generation neutral heavy lepton (N) with $\xi_{Ne}^{2} = 0.19$, which produce a cross section of 0.312 pb. The generation of the signal was done privately in Montreal and not by the ATLAS collaboration. Therefore the results cannot be considered official. With the simulation, the expected superior limit at $95\%$ C.L. on the cross section is 0.145 pb with 0.294 pb for $\sigma$ and 0.519 pb for 2$\sigma$. The expected superior limit at $95\%$ C.L. on $\xi_{Ne}^{2}$ is 0.09.

Une recherche du boson de Higgs est effectuée dans le canal WW → lνlν en utilisant l’ensemble des données de 2011 à une énergie dans le centre de masse de √s = 7 TeV et une partie des données de 2012 à 8 TeV prises par l’expérience ATLAS auprès du LHC. Les luminosités intégrées correspondantes sont 4.7 fb−1 et 5.8 fb−1, respectivement. L’analyse est effectuée avec des coupures. Plusieurs méthodes sont introduites pour estimer à partir des données la contribution de bruits de fond des différents processus afin de minimiser l’utilisation de simulation. Pour la contribution du bruit de fond top dans le canal dominant avec zéro jet, elle est estimée avec une méthode que nous avons proposée. Une autre méthode pour corriger la forme de la distribution de l’énergie transverse manquante dans les événements Drell-Yan à partir des événements W +jets est également présentée. En 2011, le boson de Higgs du modèle standard avec la masse du Higgs de 133 à 261 GeV est exclue à 95% de niveau de confiance, tandis que la plage d’exclusion prévue est de 127 à 234 GeV. En 2012, un excès d’événements au-dessus du bruit de fond attendu est observé dans une plage de masse autour de 125GeV. En combinant les deux échantillons, la probabilité minimale (“p-value”) pour que l’hypothèse bruit de fond seul fournisse autant ou plus d’événements qu’observé dans les données est de 3 × 10−3, ce qui correspond à une signifiance statistique de 2,8 écarts types. Le taux de production mesuré du signal par rapport au taux prédit pour le boson de Higgs du modèle standard à mH = 125GeV est de 1,4 ± 0,5. La probabilité attendue pour un Higgs avec mH = 125GeV est de 0,01, soit de 2,3 écarts types. La limite d’exclusion d’un Higgs dans un modèle avec une quatrième génération est également présentée en utilisant une partie de l’échantillon de données 2011, la gamme de masse entre 120 GeV et 600 GeV a été exclue à 95% de niveau de confiance. Enfin, l’étude sur le temps de dérive dans le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS est effectuée en utilisant tous les échantillons de données du rayonnement cosmique, du faisceau splash et de collision. Les résultats ne montrent aucune non-uniformité significative sur la largeur de l’espace cellulaire mis à part un effet de “sagging” dans les régions de transition dû au poids du calorimètre. / A Higgs search is performed in the WW → lνlν channel using the full 2011 data at a center-of-mass energy of √s = 7 TeV and part of 2012 data at 8 TeV taken by the ATLAS experiment at the LHC. The corresponding integrated luminosity values are 4.7fb−1 and 5.8fb−1, respectively. The cut based analysis is performed and several data-driven methods for background estimation are introduced. The jet veto survival probability method for top background estimation in 0-jet bin is proposed and used in the Higgs search. Another data-driven method to correct the shape of the missing transverse energy distribution in the Drell-Yan process is also presented. In 2011, the standard model Higgs boson with the Higgs mass from 133 to 261 GeV is excluded at 95% CL, while the expected exclusion range is 127 − 234 GeV. In 2012, an excess of events over expected background is observed at mH = 125GeV. Combining the both samples, the minimum observed p0 value is 3 × 10−3, corresponding to 2.8 standard deviations. The fitted signal strength at mH = 125 GeV is μ = 1.4 ± 0.5. The expected p0 for a Higgs with mH = 125 GeV is 0.01, or 2.3 standard deviations. The exclusion limit for a Higgs in a fourth generation model is shown using part of the 2011 data sample, the mass range between 120GeV and 600GeV has been excluded at 95%CL. The study on the drift time in the liquid argon calorimeter in ALTAS is performed using all special data samples from cosmic muon, beam splash and beam collision data. The results show no significant non-uniformity on the cell gap width and a sagging effect due to gravity is observed.

Ce mémoire de maîtrise a pour objet une recherche de leptons lourds de quatrième génération avec les données prises par le détecteur ATLAS au LHC dans les collisions pp à $\sqrt{s}$ = 7 TeV et avec une luminosité intégrée de 1.02 fb$^{-1}$. Le processus étudié est la production au singulet de leptons lourds neutres de quatrième génération (N) par la voie du courant chargé suivi de la désintégration du celui-ci en un électron et un boson W : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), et dépend d'un paramètre de mélange $\xi^{2}$ avec un lepton léger. L'analyse passe par plusieurs étapes, soit l'utilisation de FeynRules pour construire le modèle pour ensuite générer des événements par MadGraph 5.1.2.4. Comme hypothèse de référence, on a choisi une masse de 100 GeV pour le lepton lourd neutre et $\xi_{Ne}^2$ = 0.19, donnant une section efficace de 0.312 pb pour une énergie au centre de masse de 7 TeV. Puisque la génération du signal s'est faite de manière privée à Montréal et non par la collaboration ATLAS, les résultats ne peuvent pas être reconnus officiellement. Sur la base de la simulation, avec des données correspondant à 1 fb$^{-1}$, la limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur la section efficace du signal est de 0.145 pb avec 0.294 pb pour un écart type($\sigma$) et 0.519 pb pour 2$\sigma$. La limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur $\xi_{Ne}^{2}$ de 0.09 pour une masse de 100 GeV. / This M.Sc. thesis describes a search for fourth generation heavy leptons using data from the ATLAS detector at LHC. The total integrated luminosity is 1.02 fb$^{-1}$ in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 7 TeV. This analysis study the single production of fourth generation neutral heavy lepton (N) via the charged channel and where W decays leptonically : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), which depends on the mixing element between the heavy lepton and the light lepton. The model of fourth generation leptons is constructed using FeynRules while the production of events is done by MadGraph 5.1.2.4. As point of reference, we chose a mass of 100 GeV for the fourth generation neutral heavy lepton (N) with $\xi_{Ne}^{2} = 0.19$, which produce a cross section of 0.312 pb. The generation of the signal was done privately in Montreal and not by the ATLAS collaboration. Therefore the results cannot be considered official. With the simulation, the expected superior limit at $95\%$ C.L. on the cross section is 0.145 pb with 0.294 pb for $\sigma$ and 0.519 pb for 2$\sigma$. The expected superior limit at $95\%$ C.L. on $\xi_{Ne}^{2}$ is 0.09.

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions - les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules - est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du Large Hadron Collider (LHC) - le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun en un boson W et un quark b. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions proton-proton produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant en particulier la collimation des produits de la désintégration des bosons W de très grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. Ces algorithmes se basent sur la reconstruction très précise de la trajectoire des particules chargées, des vertex d'interactions primaires et des vertex de désintégrations secondaires présents au sein des jets. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, ainsi que la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS - détecteur clé de l'étiquetage-b - dénommée IBL et actuellement en construction. Notre recherche de quark t' quant à elle a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits 'vecteurs'.