Le LHC, ATLAS, le détecteur à pixels et l’IBL sont décrits dans la première partie de ce mémoire. La mise en oeuvre du détecteur à pixels muni de sa nouvelle couche grâce à l’acquisition de rayons cosmiques juste avant le démarrage du Run 2 du LHC est ensuite présentée. L’analyse comprend l’étude des propriétés des amas de pixels allumés par le passage des rayons cosmiques, ainsi que la comparaison entre les deux technologies de compteurs présentes dans la nouvelle couche, les compteurs planaires et les compteurs 3D utilisés pour la première fois auprès d’un collisionneur. Ces études ont permis de valider les logiciels de reconstruction et d’améliorer la simulation de la nouvelle couche. Les produits d’ionisation créés dans les compteurs par le passage de particules chargées sont déviés de leurs trajectoires naturelles le long du champ électrique des jonctions, par le champ magnétique uniforme dans lequel est plongé le trajectographe d’ATLAS. L’angle de la déviation est appelé angle de Lorentz. La mesure de cet angle est essentielle car il affecte la position mesurée. Cette mesure a été réalisée pour toutes les couches, ainsi que la variation de l’angle de Lorentz en fonction de la température. A la fin du Run 1, aucun excès n’a été observé par-dessus les prédictions du Modèle Standard, et des limites inférieures sur les masses de particules supersymétriques en ont été déduites. Ces limites ont été étendues avec l’analyse montrée ici. Le gluino est ainsi plus lourd que 1.87TeV, tandis que la masse du squark b devrait être plus grande que 700 GeV, sous des hypothèses simplificatrices. Ces résultats constituent des contraintes supplémentaires pour la supersymétrie. / In the first part of this thesis, the LHC, ATLAS, the Pixel Detector and the IBL are all reviewed. Afterwards, the analysis of first cosmic data collected by the ATLAS Detector after the IBL insertion is presented, as part of the Pixel and IBL commissioning before Run 2 started. The analysis included the study of the Pixel clusters properties, and making comparisons between the two different technologies used in the IBL sensors: the Planar type, and the 3D type which has been used for the first time in a collider experiment. Analyzing the Pixel clusters properties is important to study the detector response after the IBL insertion, in order to insure utilizing the ultimate capabilities of the detector, and to achieve better resolutions for the measurements. The Standard Model (SM) of particle physics describes physical phenomena in the fundamental level with great success. However, it suffers from several shortcomings; for instance, it has no candidate for the dark matter, and it has no solution for the gauge hierarchy problem, motivating the search for new physics beyond the SM theories. On of those theories is Supersymmetry(SUSY), which occupies a primer place in the LHC physics program. At the end of Run-1, no significant excess in data over the SM prediction is observed and limits on the supersymmetric particle masses are set. With this analysis, which is basically an extension of the Run 1 analysis, those exclusion limits are extended and the gluino masses are excluded up to 1.87 TeV, while the sbottom mass should be above 700 GeV when using simplified assumptions. These results provide new constraints on natural SUSY models.

Les résultats présentés dans ce manuscrit sont basés sur l’analyse des collisions proton-proton du Large Hadron Collider, à une énergie du centre de masse de 13 TeV, enregistrées par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016.Le programme de recherche de l'expérience ATLAS comprend la mesure précise des paramètres du modèle standard et la recherche d’éventuels signaux de nouvelle physique au delà du modèle standard. Ces deux approches sont poursuivies dans cette thèse, qui comprend deux analyses différentes. Dans la première analyse, la masse du boson de Higgs a été mesurée dans le mode de désintégration en deux photons. La valeur mesurée de la masse est de 125,11 ± 0,42 GeV. La combinaison de ce résultat avec une mesure similaire dans le canal de désintégration du boson de Higgs en quatre leptons donne une masse de 124,98 ± 0,28 GeV.La seconde analyse recherche la production de particules supersymétriques (gluinos, squarks ou winos) dans un état final contenant deux photons et de l’énergie transverse manquante. Aucun excès significatif n'est observé par rapport au bruit de fond prévu par le modèle standard, et des limites inférieures sur les masses des gluinos, des squarks et des winos ont été établies dans le contexte d'un modèle généralisé de « gauge-mediated supersymmetry breaking ».Enfin, des études de performance du détecteur ATLAS (étalonnage de l'énergie des électrons et des photons et mesure de la probabilité de mauvaise identification des photons comme électrons), qui sont des ingrédients clés pour les deux analyses présentées précédemment, ont été également réalisées et sont ici décrites. / The work presented in this manuscript is based on the proton-proton collision data from the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016.The research program of the ATLAS experiment includes the precise measurement of the parameters of the Standard Model (SM) and the search for signals of physics beyond the SM. Both these approaches are pursued in this thesis, which presents two different analyses. The first one is the measurement of the Higgs boson mass in the di-photon decay channel. The measured value of the mass is (125.11 ± 0.42) GeV. Its combination with a similar measurement in the four lepton Higgs boson decay final state is presented. The value of the Higgs boson mass obtained from the combined measurement is (124.98 ± 0.28) GeV. The second one is the search for production of supersymmetric particles (gluinos, squarks or winos) in a final state containing two photons and missing transverse momentum. No significant excess with respect to the SM background is observed and lower limits on the gluino, squark and wino masses are set in the context of a generalised model of gauge-mediated supersymmetry breaking with a bino-like next-to-lightest supersymmetric particle.Finally, ATLAS detector performance studies (electron and photon energy calibration and measurement of the photon->electron misidentification probability), which are key ingredients for the two analyses presented before, are also performed and described.

Dans cette thèse, nous présentons des avancements récents en Théorie des Champs Doubles (TCD) et Théories des Champs Exceptionnels (TCE). Ces théories ont la particularité d’être des reformulations de supergravité dans lesquelles les symétries de dualité sont explicites avant toute réduction dimensionnelle. Ces reformulations se basent sur la définition d’un espace-temps étendu qui géométrise le groupe de T-dualité en TCD et les groupes exceptionnels de U-dualité en TCE. Tous les champs de cet espace sont soumis à une contrainte de section qui restreint leur dépendance en coordonnées. Il existe plusieurs solutions à la contrainte de section, qui correspondent donc à des théories différentes. Dans ce sens, le formalisme des théories des champs étendues amène à une unification de ces théories. De plus, grâce à un outil spécifique aux théories des champs étendues, l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé, il est possible de réécrire les ansatz compliqué de type Kaluza-Klein en supergravité sous une forme élégante et compacte: un produit matriciel en dimensions supérieures. Ici, nous présentons plusieurs exemples de l’efficacité de l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé. En particulier, nous prouvons deux conjectures concernant les troncations cohérentes: la réduction dite “de Pauli” de la corde bosonique ainsi que la supergravité de type IIB sur AdS5 x S5. La dernière application de cet ansatz concerne la théorie de type IIB généralisée, apparue récemment dans l’étude des système intégrables, et son plongement dans la TCE E6(6). Enfin, nous présentons la complétion supersymétrique de la TCE E8(8) bosonique. / In this thesis, recent developments in Double Field Theory (DFT) and Exceptional Field Theory (EFT) are presented. They are reformulation of supergravity in which duality symmetries are made manifest before dimensional reduction. This is achieved through the definition of an extended spacetime that “geometrises” the T-duality group O(d,d) in DFT and exceptional U-duality groups in EFT. All functions on this extended space are subject to a covariant `section constraint', whose solutions then restrict the coordinates dependency of the fields. There exist different solutions to the section constraint that correspond to different theories. In this sense, different theories are unified within the formalism of extended field theories. Moreover, extended field theories possess a powerful tool to study compactifications: the generalised Scherk-Schwarz ansatz.Here, we present several examples of the effectiveness of the generalised Scherk-Schwarz ansatz. In particular, we proved two conjectures regarding consistent truncations: the so-called Pauli reduction of the bosonic string on group manifolds and type IIB supergravity on AdS5 x S5. Another application is presented on the embedding of generalised type IIB within the E6(6) EFT, which recently appeared in the study of integrable systems.Finally, we present the supersymmetric completion of the bosonic E8(8) EFT.

La première partie de mon travail porte sur le développement d'un algorithme utilisant les données enregistrées par CMS afin de détecter la présence de déformations particulières susceptibles d'affecter le trajectographe de CMS. La méthode s’appuie sur le biais que ces déformations induisent dans la mesure de l'impulsion des électrons. Sa fiabilité a été prouvée par simulation Monte-Carlo. Elle a été utilisée pour la validation des données 2012. La seconde partie de mon travail consiste en une analyse statistique des données de collisions prises par le détecteur CMS en 2012, afin de mettre en évidence la présence de particules neutres et à long temps de vie se désintégrant en un électron et un muon. L'observation d'un tel processus constituerait une preuve de l'existence de nouvelle physique. En l'absence d'observation statistiquement significative, une méthode Bayesienne est utilisée pour interpréter ce résultat en terme de contraintes sur un modèle supersymétrique (MSSM). / The first part of my work concerns the development of an algorithm using CMS data to automatically detect the presence of particular deformations than can occur in the CMS tracker. The method takes advantage of the bias that such deformations induce in the measurement of electron impulsion. The reliability of the method has been proved using Monte-Carlo simulation. The algorithm was then used to certify that none of the considered deformations affected the data recorded in 2012.The second part of my work consists of a statistical analysis of the data recorded by CMS, in order to look for evidence of the presence of exotic long-lived particles. The latter could manifest themselves through their decay to an electron and a muon. Such an observation would provide a strong clue of the existence of new physics. In the absence of any observation statistically significant, a Bayesian method is used to interpret this result in term of constraints on a supersymmetric model (MSSM).

Cette thèse aborde quelques scénarios de nouvelle physique, ainsi que leurs manifestations dans le secteur des leptons.Le fait que les neutrinos soient massifs est un des problèmes non élucidés par le Modèle Standard. Une des solutions possibles est le mécanisme de seesaw, qui fait intervenir de nouveaux états lourds dont la désintégration viole le nombre leptonique. À cause de ce dernier point, ces états peuvent jouer un rôle clé dans la leptogenèse, un des scénarios susceptibles d'expliquer l'origine de l'asymétrie observée entre matière et antimatière dans l'univers. Nous étudions ici la leptogenèse avec un triplet scalaire et nous intéressons tout particulièrement l'impact des effets de saveur.Dans un second temps, nous considérons des théories supersymétriques. Nous étudions un modèle où le partenaire fermionique d'un pseudo-boson de Goldstone joue le rôle d'un neutrino stérile, qui pourrait expliquer certaines anomalies expérimentales. Enfin, pour être viable, la supersymétrie doit être brisée dans un secteur caché, et cette brisure doit ensuite être transmise aux champs de la théorie à basse énergie. Un des scénarios les plus élégants pour cela est la médiation de jauge. Malheureusement, celle-ci peine à reproduire la masse du boson de Higgs mesurée au LHC. Nous nous intéressons ici à des extensions susceptibles de réhabiliter ce scénario tout en le reliant mécanisme de seesaw. / This thesis addresses some scenarios of new physics as well as their consequences on the lepton sector. The fact that neutrinos are massive is one of the problems left unsolved by the Standard Model. One of the possible solutions is the seesaw mechanism, that involves new heavy states whose decay violates lepton number. Because of this, these states can participate in leptogenesis, one of the scenarios that could explain the origin of the asymmetry between matter and antimatter in our universe. Here, we study leptogenesis with a scalar triplet and consider especially the impact of flavour effects. After that, we turn to supersymmetric models. We consider a model in which the fermionic partner of a pseudo-Goldstone boson, associated to a symmetry broken at high energy, plays the role of a sterile neutrino, that could explain some experimental anomalies. Finally, to be viable, supersymmetry should be broken in a hidden sector, and this breaking should be transmitted to the fields of the low energy theory. One of the most elegant scenarios for this is gauge mediation. Unfortunately, it cannot easily reproduce the mass of the Higgs boson measured at LHC. We study here extensions that could rehabilitate this scenario and relate it to the seesaw mechanism.

Nous étudions dans un premier temps deux théories supersymétriques basées sur la présence de Gauginos de Dirac à travers deux scénarios à la phénoménologie bien distincte. La première, dite de "Fake Split SUSY", se caractérise par un spectre de particules scindé entre une partie à l'échelle électrofaible et l'autre plus lourde. Ces modèles prédisent avec une grande précision la masse du boson de Higgs et sont compatibles avec de nombreux résultats de cosmologie, au prix d'un spectre très peu naturel. La seconde présente un scénario supersymétrique dont l'un des bosons scalaire pourrait être identifié avec la résonance à 750 GeV observée au LHC. Dans un second temps, nous analysons deux comportements non-conventionnels du graviton et de son partenaire supersymétrique, le gravitino. Lorsque la symétrie de Lorentz est brisée par la présence d'un fluide, nous montrons que la pseudo-particule générée par cette brisure, le phonino, devient la composante longitudinale du gravitino et se propage suivant une relation de dispersion non relativiste que nous étudions en détails. Finalement, nous explorons des théories de gravité étendue dans lesquelles, en sus du Lagrangien d'Hilbert-Einstein, nous ajoutons des opérateurs construits à partir de produits de tenseurs de Riemann. En présence d'un fluide, nous prouvons qu'un graviton peut se propager "prestement", une notion reliée celle de vitesse superluminale. / We will first focus on supersymmetric theories with Dirac Gaugino masses. We investigate two advantages of such models. First, the possibility to reconcile the measured Higgs mass with an arbitrary large scale of supersymmetry breaking. Second, we show how the scalar singlet present in such models is a sound candidate for a resonance explaining the 750 GeV diphoton excess observed by the LHC experiments. In a second part, we start by discussing the propagation of a massive spin 3/2 state in a fluid (for instance the gravitino when supergravity is coupled to a background fluid). We show that the degrees of freedom corresponding to different helicities travel with different velocities. We then discuss the separate issue of graviton speed in extended gravity theories where the usual Einstein-Hilbert Lagrangian is supplemented by various higher order terms constructed from Riemann tensors.

Le Modèle Standard de la physique des particules est un modèle décrivant très bien les particules élémentaires et leurs interactions mais plusieurs raisons motivent les physiciens à rechercher de la physique au-delà de ce modèle. La supersymétrie correspond à une des extensions les plus prometteuses. La thèse est axée sur deux sujets, et repose sur les données acquises en 2015 et 2016 avec le détecteur ATLAS du LHC (CERN):La première partie est un travail de performance permettant d'améliorer la mesure de l'énergie des jets de particules. Ces objets sont générés par l'hadronisation des quarks et des gluons par interaction nucléaire forte et sont difficiles à reconstruire. Ma contribution correspond à la dernière étape et repose entièrement sur les données. La méthode se base sur les mesures effectuées sur les photons qui servent d'objets de référence. Mon travail a consisté à mettre en place la méthode, estimer les corrections en énergie et évaluer les incertitudes. Les corrections obtenues sont de l'ordre de 2-3% en fonction de l'énergie des jets. L'incertitude sur l'échelle en énergie des jets est estimée à environ 1% pour les trois types de jets étudiés. Les résultats sont actuellement utilisés par la collaboration ATLAS. Cette méthode permet également de mesurer la résolution en énergie des jets du détecteur. Une résolution de l'ordre de 17%-22% est obtenue à 40 GeV en fonction du type de jet étudié, et 4% à 1 TeV, avec une incertitude de l'ordre de 10%.La deuxième partie de la thèse porte sur la recherche d'un signal de supersymétrie. Le signal recherché correspond à la production d'une paire de squarks ou de gluinos et comprend des jets et de l'énergie transverse manquante dans l'état final. Mon travail porte principalement sur l'optimisation des critères de sélections en se basant sur plusieurs modèles simplifiés de supersymétrie. Neuf nouvelles régions de signal ont été introduites dans l'analyse. Les limites tracées au cours du Run 1 sur la masse des squarks et gluinos ont ainsi été augmentées pour atteindre une valeur maximale respective de l'ordre de 1.6 TeV et 2 TeV sur les modèles étudiés. / The Standard Model of particle physics is a very precise model describing the elementary particles and their interactions. However, some issues lead physicists to search for physics beyond the Standard Model. Supersymmetry is an extension of the Standard Model providing solutions to the current issues. In this thesis, results are obtained using the data collected in 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the LHC (CERN). The thesis is based in two parts:The first part is a performance analysis improving the energy measurement of high energy objects called "jets". They are generated by the hadronization of quarks and gluons in the detector via the strong nuclear interaction. My contribution is the last step of the the reconstruction and calibration chain and is fully based on data. The method uses the very precise measurement of the photon energy, and provides corrections to the jet energy scale. My contribution consists in set-up the method, estimate the corrections, measure the jet energy scale and evaluate the uncertainties. Corrections are at the order of 2-3% as a function of the jet energy scale. The uncertainty of the jet energy scale is estimated to be at the order of 1% for the three jet types. Results are now used by the ATLAS Collaboration. This method is also used to estimate the jet energy resolution. A resolution at the order of 17%-22% at 40 GeV depending on the jet type, and 4% at 1 TeV is obtained with an uncertainty at the order of 10%.The second part of the thesis corresponds to the search for supersymmetry. The signal corresponds to a pair of supersymmetric particles called squarks and gluinos and corresponds to jets and missing transverse energy in the final state. My contribution mainly corresponds to the optimisation of the selections using several simplified models of supersymmetry. Nine signal regions have been introduced in the analysis. Limits on the mass of squarks and gluinos computed during the Run 1 have been greatly improved to reach a maximal value respectively at the order of 1.6 TeV and 2 TeV.

Malgré un succès expérimental incontestable, le Modèle standard (MS) de la physique des particules laisse de nombreuses questions fondamentales sans réponse, comme le problème de hiérarchie et l’origine de la matière noire, motivant l’étude de la « nouvelle physique ». Le Modèle Standard Supersymétrique Non-Minimal (MSSNM) est une extension très intéressante du MS répondant à ces deux problèmes. Il comprend une riche phénoménologie, en principe accessible au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). En particulier, son secteur de Higgs est étendu par rapport au MS, générant six scalaires. Le but de cette thèse est d’étudier le potentiel de découverte de ces bosons de Higgs supplémentaires au LHC. Après une introduction du MSSNM et de ses motivations, nous étudions d’abord les perspectives de découverte d’un scalaire, plus léger que la résonance à 125 GeV mise en évidence au CERN, en passant en revue ses possibles modes de production et de détection dans les phases à venir du LHC, et ses possibles impacts sur les couplages du boson de Higgs du MS. Ensuite, les perspectives de recherche via les cascades de Higgs, impliquant des bosons de Higgs supplémentaires légers et lourds, est présentée. Des études détaillées au moyen de méthodes Monte-Carlo ont été réalisées, et de nouvelles analyses dédiées sont présentées. Ces derniers résultats ne sont pas restreints au MSSNM, et peuvent être interprétés dans une large classe de modèles. / Despite its incontestable experimental success, the Standard Model of particle physics leaves unanswered many fundamental questions like the hierarchy problem and the origin of dark matter, motivating the study of physics beyond its scope. The NMSSM is a well-motivated extension of the SM addressing these two issues. It features a rich phenomenology accessible, in principle, at the LHC. In particular, the Higgs sector of the NMSSM is extended with respect to the SM giving rise to six scalars. It is the aim of this thesis to study the discovery potential of these extra Higgs bosons at the LHC. After introducing the NMSSM and its motivation, we first study the discovery prospects for a scalar lighter than the 125 GeV resonance found at CERN, reviewing its possible production and detection at the upcoming runs of the LHC and its possible impact on couplings of the Standard Model Higgs boson. Next, prospects for searches via Higgs cascades involving extra light and heavy Higgs bosons are presented. Detailed studies by means of Monte Carlo methods are performed, and new dedicated analysis are proposed. These last results are not confined to the NMSSM and can be interpreted in a wide class of models.

Ce mémoire fait état des résultats obtenus concernant les vecteurs singuliers de l’algèbre superconforme dans le secteur de Ramond. Une formule explicite exprimant ces vecteurs singuliers a été obtenue en termes de superpolynômes de Jack via la représentation de l’algèbre superconforme en termes de superpolynômes symétriques. On présente d’abord les partitions d’entiers et les fonctions symétriques standards. Ceci permet d’introduire les fonctions propres du modèle Calogero-Sutherland (CS) en termes de polynômes de Jack qui se révèlent être une représentation efficace des vecteurs singuliers de l’algèbre conforme. Suivant cette piste, on procède à la supersymétrisation du modèle CS ce qui permet de générer les superpolynômes de Jack, polynômes symétriques dans le superespace. On présente finalement la formule explicite des vecteurs singuliers de l’algèbre superconforme en termes de superpolynômes de Jack. / This mémoire presents results concerning the Ramond singular vectors of the superconformal algebra. An explicit formula has been obtained for the Ramond singular vectors of the superconformal algebra via its superpolynomial representation and the formula is given here in terms of Jack superpolynomials. We first present some basic elements of the integer partition and symmetric functions theories. This leads us to consider the eigenfunctions of the Calogero-Sutherland (CS) model, the Jack polynomials. These happen to be the singular vectors of the conformal algebra when represented in terms of symmetric polynomials. Given those results, we extend the CS model to the supersymmetric case and interpret its eigenfunctions as the Jack superpolynomials which are symmetric functions in superspace. We then display the explicit formula of the Ramond singular vectors of the superconformal algebra which has been obtained in terms of Jack superpolynomials.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.