Le Modèle Standard, qui décrit les interactions entre les particules à l’échelle quantique, est une théorie imparfaite. Il possède plusieurs problèmes théoriques non-résolus et ne permet pas d’expliquer certaines observations astrophysiques comme celles de la matière noire et de l’asymétrie baryonique. Plusieurs théories, dites au-delà du Modèle Standard, ont été proposées afin de résoudre certains de ces problèmes, et une grande partie d’entre elles prévoient l’apparition de nouveaux phénomènes à haute énergie. L’objectif principal de cette thèse est de rechercher ces phénomènes dans les collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Une partie des travaux présentés dans cette thèse a en particulier été dédiée à la recherche de processus de production de quarks top de même signe, c’est-à-dire de même charge électrique, qui sont prédits par des modèles de supersymétrie à R-parité violée. Ces processus engendrent des évènements composés de leptons de même charge accompagnés de b-jets, lesquels ont l’avantage d’être faiblement contaminer par le bruit de fond provenant du Modèle Standard.Les travaux présentés dans cette thèse ont essentiellement porté sur deux analyses, chacune recherchant des phénomènes de nouvelle physique de nature différente dans les évènements composés de leptons de même charge dans les données enregistrées par le détecteur ATLAS. Une première analyse a porté sur la recherche de processus supersymétriques sur les données enregistrées en 2015 et en 2016 avec 36.1 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Des signaux de production de quarks top de même signe ont été implémentés en se basant sur des processus supersymétriques violant la R-parité, et des régions de signal associées à ces processus ont été optimisées. Une deuxième analyse a porté sur la recherche de processus non-supersymétriques, dits exotiques, dans les données enregistrées en 2015 avec 3.2 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Cette analyse a surtout été motivée par les résultats obtenus à 8 TeV, dans lesquels un modeste excès de nombre d’évènements par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été observé dans deux régions de signal. Une partie des études relatives à cette analyse a été dédiée au développement et à la validation des méthodes d’estimation des différentes sources de bruit de fond.Aucune déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard n’a été observée dans chacune des régions de signal considérées dans les deux analyses. L’excès qui avait été observé dans les résultats obtenus à 8 TeV n’est donc pas confirmé. Des limites d’exclusion sur les modèles de nouvelle physique ont de plus été extraites à partir des résultats obtenus, en particulier sur les modèles de supersymétrie à R-parité violée utilisés pour produire les processus de production de quarks top de même signe. / The Standard Model, which describes the particle interactions at quantum level, is an imperfect theory. It has several theoretical problems and is unable to explain astrophysical observations like the dark matter and the baryonic asymmetry of the universe. Several beyond-standard models have been proposed to solve some of these issues, and predict new-physics phenomena at high energy. The aim of this thesis is to search for these phenomena in proton-proton collisions produced by the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV. Part of the studies presented in this thesis was dedicated to the search for production of same-sign top quarks based on R-parity violating supersymmetric models. These processes lead to a signature of same-sign leptons and b-jets, which have the advantage to be lowly contaminated by the Standard Model background.The studies presented in this thesis focused on two analyses, both searching for new-physics phenomena of different nature in same-sign leptons events in data recorded by the ATLAS detector. A first analysis focused on supersymmetric processes with data recorded in 2015 and in 2016 with 36.1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. Same-sign top quarks signals were implemented using R-parity violating supersymmetric processes, and signal regions associated to these processes were optimized. A second analysis focused on exotic (non-supersymmetric) processes with data recorded in 2015 with 3.2 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. This analysis was motivated by a modest excess seen in two signal regions in the 8 TeV results. Several studies were focused on the development and the validation of background estimation methods.No deviations from the Standard Model predictions were observed the signal regions considered in both analyses. The 8 TeV excess is therefore not confirmed with the most recent data. Exclusion limits on new-physics models were extracted, in particular for the R-parity violating supersymmetric models that were used to produce the same-sign top quarks processes.

Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire le comportement des particules et leurs interactions. L’une d’elles, le quark top, est la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété lui confère un rôle privilégié dans les théories dites de Nouvelle Physique, il pourrait se coupler préférentiellement aux nouvelles particules prédites par ces modèles.Cette thèse a été menée auprès du détecteur ATLAS installé au LHC. La première partie de ce travail a porté sur l’étalonnage du calorimètre hadronique, une partie du détecteur servant entre autres à mesurer l’énergie des hadrons produits lors des collisions. Ce calorimètre est étalonné grâce à un système laser, qui envoie des pulses de lumière dans les 9852 canaux du calorimètre. Cette étude a permis de corriger les canaux dont le gain dérive en appliquant des facteurs correctifs aux données. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la recherche d’évènements à deux quarks top de même charge. La topologie avec deux leptons de même charge permet d’avoir une signature claire et présente peu de bruits de fond prédits par le Modèle Standard. Deux versions de l’analyse sont présentées : l’une avec une partie des données enregistrées par ATLAS en 2012, la deuxième plus optimisée avec le lot complet de données de 2012. Ces optimisations ont améliorées d’un facteur 3 la sensibilité sur le signal. N’ayant pas observé d’excès dans les données, une limite sur la section efficace de production d’évènements à deux quarks top de même charge a été calculée dans le cadre de deux modèles effectifs. / The Standard Model of particle physics is used to describe the behavior of the particles and their interactions. One of them, the top quark, is the heaviest elementary particle. This property gives it a favored role in the New Physics theories, it could interact preferentially with new particles predicted by these models.This thesis was performed using the ATLAS detector at LHC. The first part of this work was on the calibration of the ATLAS hadronic calorimeter, part of the detector which is used to measure the energy of the hadrons produced during the collisions. The hadronic calorimeter is calibrated with a laser system, which sends pulses to the 9852 calorimeter’s channels. With this study, drifting channels were corrected by applying correction factors on the data.The second part of this thesis was dedicated to the search of events with two same-sign top quarks. The topology with a same-sign dilepton pair is used to have a clear signature and show only a few Standard Model backgroud processes. Two versions of this analysis are discussed : one of them with a part of the data collected in 2012 and the other one, with a lot of optimizations and with the complete dataset of 2012. These optimizations permits to improve the sensitivity of the signal by a factor 3. Without any excess observed in the data events, it is possible to calculate a limit on the cross section of the same-sign top quarks pair and interpreted in the case of two effective models.

La découverte du boson de Higgs au LHC en 2012 est la plus récente confirmation de la validité du modèle standard, théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales. De nombreuses études ont été mises en place pour étudier les différentes caractéristiques de cette particule récemment découverte. Ce travail se concentre sur la recherche du processus ttH dans l’expérience ATLAS, pour réaliser une première mesure directe du couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre important dans les modèles de physique au-delà du modèle standard. La première partie de ce travail a porté sur l’automatisation de l’étalonnage du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur ATLAS (TileCal ) par un système laser. Une description de ce système qui permet un étalonnage régulier de toutes les cellules du calorimètre est tout d’abord présentée. Ensuite, l’algorithme d’automatisation de ce processus d’étalonnage, qui a été écrit lors de ce travail, est décrit. Le but final de cet algorithme est de faciliter et accélérer la correction des canaux dont le gain dérive. Une deuxième partie concerne la recherche du processus ttH par l’étude des états finals multi-leptons et particulièrement avec deux leptons de même charge électrique et au moins 4 jets dont 1 étiqueté b. L’estimation des bruits de fond instrumentaux et le traitement statistique réalisé sont décrits en détail dans le document pour deux versions de l’analyse. Une première version correspondant aux données de l’année 2015 et du début 2016, soit une luminosité intégrée de 13.2f b −1 de données, aboutit à une précision insuffisante pour conclure sur la présence du processus ttH. Une deuxième version de l’analyse, optimisée avec l’utilisation d’analyses multivariées sur l’ensemble des données 2015 et 2016, se conclut par une observation du processus ttH lors de la combinaison de l’ensemble des états finals ttH. La signification statistique observée est alors de 4.2σ pour une signification statistique attendue de 3.8σ. Ce résultat est donc en accord avec la prédiction du modèle standard. / Discovery of Higgs boson at LHC in 2012 is the most recent confirmation of the validity of Standard Model, theory describing elementary particles and their interactions. Many analysis now target the extraction of properties of the newly-discovered particle. A direct measurement in the ATLAS experiment of the top Yukawa coupling, one of these properties, is targeted in this work through ttH process. This coupling is of particular interest because of its strong sensitivity to New Physics. The first part of the work is about the automation of the calibration of the hadronic tile calorimeter of the ATLAS detector. A detailed description of the laser system used for a regular calibration of the calorimeter is done as well as of the calibration itself. Then more details on the algorithm written for the automation of the calibration are given. The final goal of this algorithm is to ease and fasten the calibration of channels with gain variation. The second part is dedicated to the search for ttH process through multilepton final states with emphasis on final state with two same-sign leptons, at least four jets and at least 1 b-tagged jet. Estimation of reducible backgrounds and statistical treatment of the analysis are detailed. A first version of the analysis with 13.2f b −1 , corresponding to 2015 and mid-2016 LHC data, ends with a final precision too low to extract any conclusion on the tt̄H process. In a second version of the analysis, improvements are made using multivariate analysis and adding more signal regions. The results from the multilepton analysis is combined with results from other ttH analysis, targeting other Higgs decays, to attain a final observed sentivity of 4.2σ. Thus an evidence for ttH production can be claimed from this combination. The final results give good agreement with Standard Model prediction.

Les travaux présentés dans cette thèse ciblent la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard dans le cadre des modèles composites, lesquels font intervenir des secteurs fortement couplés à l'échelle du TeV comprenant des particules exotiques. Leur existence peut être testée auprès du collisionneur proton-proton LHC situé au CERN, grâce au détecteur ATLAS. La production d'un quark lourd, comme le T5/3, prédit dans ces modèles, peut être déduite d'une section efficace anormalement élevée d'une signature spécifique. Certains états finaux, comme celui étudié dans cette thèse impliquant 2 leptons de même signe, étant très rares, possèdent une excellente sensibilité. Les recherches des processus de création du T5/3 au LHC en utilisant les données d'ATLAS à 8 et 13 TeV sont présentées. Un léger excès a été observé à 8 TeV. Des résultats préliminaires de l'analyse à 13 TeV sont présentés et ne montrent pas d'excès. Les limites inférieures en masse sur cette particule hypothétique sont de 745 GeV à 8 TeV et de 990 GeV à 13 TeV. Les modèles composites prévoient aussi l'existence de bosons lourds comme par exemple un Z' topophile qui ne se couplerait qu'aux quarks top et dont la production en association d'une paire tt donnerait un état final similaire aux événements à 4 quarks top. Une étude phénoménologique sur le potentiel de découverte de ces processus exotiques (Z' et théorie effective) ou standard (tttt) à 13 et 14 TeV est effectuée et donne les luminosités minimales nécessaires pour pouvoir observer des déviations au Modèle Standard. Une étude instrumentale d'une nouvelle carte de déclenchement de niveau 1 du calorimètre électromagnétique est aussi décrite en prévision de la phase d'Upgrade du détecteur. / The work of this thesis focuses on the search for new physics beyond the Standard Model in the compositeness framework, which postulates strongly coupled sectors at the TeV-scale consisting of exotic particles. Their existence can be tested at the CERN proton-proton collider, the LHC, using the ATLAS detector. The production of an heavy quark, such as the T5/3 predicted in those models, can be inferred from an enhancement of the cross-section of a given signature. Some final states, such as the one studied in this thesis involving 2 same-sign leptons, are very rare and have an excellent sensitivity. Searches for T5/3 production at the LHC using 8 and 13 TeV ATLAS data are presented. A small excess is seen at 8 TeV. Preliminary results of the 13 TeV analysis are presented and do not show any excess. The inferior limits put on the T5/3 mass is 745 GeV at 8 TeV and 990 GeV at 13 TeV. Composite models include also heavy bosons such as top-philic Z' coupled only to the top quark whose production in association to a top quark pair gives a final state similar to those from 4 tops events. A phenomenological study on the discovery potential of those exotic (Z' and effective theory) or standard (tttt) processes at 13 and 14 TeV is done and gives the minimal luminosities needed to observe deviations from the Standard Model. An instrumental study for the conception of the new LTDB card, part of the electromagnetic calorimeter's level 1 trigger system is described in the context of the ATLAS upgrade program.

En dépit de nombreuses confirmations expérimentales, le Modèle Standard, théorie décrivant les particules élémentaires et trois des interactions fondamentales souffre de difficultés théoriques et expérimentales. Ces dernières motivent l’existence d’une physique non décrite jusqu’alors : la Nouvelle Physique. Ce travail se focalise sur la recherche de gluons scalaires, appelés communément sgluons, nouvelles particules prédites dans plusieurs théories de Nouvelle Physique. Une étude phénoménologique considère les différents états finals (de un à quatre quarks top) et signatures (un ou deux leptons chargés) qui peuvent être engendrés par l’existence de sgluons. La sensibilité d’une expérience comme Atlas à ce signal est estimée et montre que l’un des états finals les plus prometteurs est celui contenant quatre quarks top, dans la signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique (électron ou muon). La recherche de sgluons dans l’expérience Atlas s’appuie sur les états finals à quatre quarks top dans une signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique, des jets étiquetés b et de l’énergie transverse manquante. Elle représente la première recherche mondiale de sgluons dans cet état final. Les principaux enjeux de l’analyse (estimation des bruits de fond, optimisation de la sélection, interprétation statistique) sont détaillés. La comparaison avec les données enregistrées pendant la première partie de l’année 2012 (L = 14:3 fb..1) ne montre pas d’excès significatif. La limite inférieure sur la masse du sgluon est alors de 0.80+0:02..0:03 TeV. L’extension de cette analyse avec le lot complet de données enregistrées en 2012 par Atlas est également présentée dans ce document et permet une sensibilité accrue jusqu’à des masses de sgluons de 0:94 0:03 TeV. Ce document présente également les analyses et résultats relatifs à des études de performances. La première s’attache au système de hautes tensions du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur Atlas (TileCal). Elle conclut notamment, au regard des critères établis, que seuls 7 canaux de hautes tensions du TileCal (sur un total de 9852) ont un comportement problématique. La deuxième étude est liée à la réjection de l’effet d’empilement au moyen d’une sélection sur la variable JVF (Jet Vertex Fraction). L’efficacité de cette sélection, calculée dans les données et dans la simulation montre des différences, nécessitant l’apport d’une correction à la simulation. La détermination de facteurs correctifs et de leurs incertitudes systématiques associées est présentée dans ce document. / Despite its experimental confirmations, the Standard Model, which describes both the elementary particles and three of the fundamental interactions, has some theoretical and experimental limitations. As a consequence of these limitations, a Physics not described in the context of the Standard Model could exist : the New Physics. This work focuses on the search for scalar gluons, commonly dubbed sgluons, predicted in various New Physics theories. A phenomenological study considers various final states (containing between two and four top quarks) and signatures (with one or two charged leptons) that could arise from sgluon production. The sensitivity of an Atlas-like experiment to this signal is estimated and the results indicate that one of the most promising final states contains four top quarks in a signature with two charged leptons (electron or muon) of the same electric charge. The search for sgluons within the Atlas experiment uses the previous results. Thus, it only investigates the 4-top topology in a signature containing two same-sign charged leptons, b-jets and missing transverse energy. It represents the first search ever for sgluons in this final state. The main steps of the analysis (background estimation, selection optimisation and statistical interpretation) are detailed. The comparison with the data recorded in the first months of 2012 (L = 14:3 fb..1) shows no significant excess and is interpreted in terms of a limit on the sgluon mass. The latter is found to be 0.80+0:02..0:03 TeV. The extension of this analysis to the full 2012 Atlas dataset is also presented in this document and shows an increased expected sensitivity to sgluon masses up to 0:94 0:03 TeV. Finally, this document also presents the analyses and results of performance studies. The first one is related to the high voltage system of the Atlas Tile Calorimeter (TileCal). The main conclusion is that only 7 channels out of the 9852 TileCal ones are fond to be problematic. The second study focuses on the rejection of the pile-up effect by the means of a selection applied on the so-called JVF (Jet Vertex Fraction) variable. The efficiency of this selection is computed both in data and simulation and shows some differences that have to be corrected in the simulation. The derivation of the correction factors and their associated systematic uncertainties is detailed in this document.

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