L’introduction d’une symétrie entre les bosons et les fermions, appelée supersymétrie, étend de manière naturelle le modèle standard de la physique des particules. Néanmoins, une telle symétrie n’a jamais été observée dans la nature : elle doit être nécessairement brisée. L’étude de la brisure de la supersymétrie induite par la gravitation est le coeur du travail effectué dans cette thèse. En 1983, Soni et Weldon ont classifié les formes analytiques des deux fonctions fondamentales - le potentiel de Kahler et le superpotentiel - de manière à conduire à une supersymétrie brisée à basse énergie. Depuis, les analyses phénoménologiques sont basées sur cette classification. Le principal résultat du présent manuscrit est de démontrer l'incomplétude de leur classification. Pour un potentiel de Kahler dit canonique, une classification complète est réalisée tandis qu'un début de classification est proposé pour le cas non-canonique. Dans les deux cas, de nouvelles solutions sont établies menant à de possibles nouvelles conséquences phénoménologiques à basse énergie. L'apport de candidats pour le problème de la matière noire fait partie des contributions majeures des modèles supersymétriques. En parallèle du travail de classification, le développement d'un nouveau calculateur, permettant d'estimer la densité relique de matière noire dans l'Univers, est également proposé. / Supersymmetry extends naturally the Standard Model through the introduction of a new symmetry between bosons and fermions. However, such symmetry has never been observed in nature : Supersymmetry must be broken. Gravity-mediated supersymmetry breaking is the main subject of this doctoral thesis. In 1983, Soni and Weldon classified the analytical forms of the two fundamental functions - the Kahler potential and the superpotential - leading to a consistent low energy broken Supersymmetry. Up to nowadays, this classification has been used for phenomenological model building. The main result of the current thesis demonstrates the incompleteness of their classification. A complete classification is presented for a given canonical Kahler potential while a first sight of the classification is proposed for the non-canonical case. From these assumptions, new solutions are obtained leading to new possibilities for model building at low energy.The proposition of new dark matter candidates is one of the several contributions coming from supersymmetric models. In addition of the new classification, the development of a new generator, allowing to estimate the relic density of dark matter particles, is also proposed.

La recherche de solutions du vide en présence de flux non-triviaux dans la théorie des cordes est importante pour la construction de modèles pertinents à la phénomenologie de la physique des particules. Dans le cadre de la correspondance AdS/CFT, les théories de jauge en 4d, considérées comme descendantes de N=4 SYM, sont duales à des configurations de champs en 10d avec des géometries ayant un facteur AdS_5 asymptotiquement. Dans cette thèse, nous étudions des déformations de masse qui brisent la supersymétrie (partiellement ou totalement) du côté de la théorie des champs et qui sont duales aux états de la théorie IIB avec flux non-nuls du côté gravitique. Les équations du mouvement de la supergravité contraignent les paramètres de la théorie de jauge à satisfaire certaines relations. En particulier, nous trouvons que la somme des carrés de la masse des bosons est égale à celle fermions, rendant ces modèles problematiques pour des applications phénomenologiques. L'étude des théories duales de supergravité pour des déformations plus générales de la théorie conforme des champs exige des techniques qui vont au-delà des outils géometriques standards. La Géometrie Généralisée Exceptionelle fournit une façon très élégante d'intégrer les flux de supergravité dans la géometrie. Nous examinons les solutions AdS_5 avec des flux génériques conservants huit supercharges et nous montrons que celles-ci satisfont des relations particulièrement simples qui ont une interprétation géometrique dans le cadre de la Géometrie Généralisée. Ceci ouvre la voie pour l'étude systématique des déformations marginales supersymétriques de la théorie / The search for string theory vacuum solutions with non-trivial fluxes is of particular importance for the construction of models relevant for particle physics phenomenology. In the framework of the AdS/CFT correspondence, four-dimensional gauge theories which can be considered to descend from N = 4 SYM are dual to ten- dimensional field configurations with geometries having an asymptotically AdS_5 factor. In this Thesis, we study mass deformations that break supersymmetry (partially or entirely) on the field theory side and which are dual to type IIB backgrounds with non-zero fluxes on the gravity side. The supergravity equations of motion constrain the parameters on the gauge theory side to satisfy certain relations. In particular, we find that the sum of the squares of the boson masses should be equal to the sum of the squares of the fermion masses, making these set-ups problematic for phenomenology applications. The study of the supergravity duals for more general deformations of the conformal field theory requires techniques which go beyond the standard geometric tools. Exceptional Generalized Geometry provides a very elegant way to incorporate the supergravity fluxes in the geometry. We study AdS_5 backgrounds with generic fluxes preserving eight supercharges and we show that these satisfy particularly simple relations which admit a geometrical interpretation in the framework of Generalized Geometry. This opens the way for the systematic study of supersymmetric marginal deformations of the conformal field theory in the context of AdS/CFT.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC. / A large number of cosmological and astrophysical measurements supports the fact that our galaxy should be immersed in a halo of non-baryonic dark matter. Directional detection aims at measuring the direction of recoiling nucleus following an elastic scattering with a Dark Matter particle. This should allow us to show the expected strong angular dependence of the recoil distribution due to the rotation of the Solar System around the galactic center. This thesis presents a comprehensive study of directional detection following three different aspects: phenomenology, experimental and data analysis. The goal of the phenomenological studies is to explore the interest of directional detection in terms of galactic dark matter search. With the use of dedicated statistical tools we show that a detector, as the one proposed by the MIMAC collaboration, should be able to discover dark matter with a high significance down to cross sections 2 to 3 orders of magnitude below current limits. Setting up a new strategy of data analysis is a second goal of this thesis as an efficient 3D track reconstruction is compulsory to achieve an accurate directional detection of dark matter. We present a new method based on a likelihood approach aiming at the optimisation of the estimation of the parameters of each measured track: position in the detector volume and direction. In the context of reducing the electronic background, we present a method based on the analysis of the track topology using a boosted decision tree algorithm which enhances the rejection power by a factor 20 with respect to a sequential analysis. In the context of experimental measurement, we present a new method dedicated to the measurement of the electron drift velocity with uncertainties of the order of the percent and constraining the longitudinal diffusion coefficients. Eventually, we discuss the results of a data analysis obtained during an acquisition using a neutron field which validate the detection strategy of the MIMAC experiment.

Cette thèse a pour but l'étude de théories diverses, toutefois interconnectées, décrivant la nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. Ces sont des théories d'un nouveau type de particules, les axions, d'un nouveau principe de symétrie, la supersymétrie, et d'une nouvelle description des degrés de liberté fondamentaux, la théorie des cordes. Les progrès instrumentaux et théoriques constamment fait au fil des ans ont confirmé que ces théories sont des candidates privilégiées pour une description de la physique au-delà du modèle standard.Les axions sont d'abord examinés et étudiés d'un point de vue phénoménologique: nous présentons des modèles qui désenchevêtrent les différentes échelles qui décrivent l'espace des paramètres des modèles d'axions, et nous discutons les axions présents dans des modèles de saveur. Inspirés par les recherches autour du swampland, nous nous imposons l'utilisation de symétries de jauge, et non globales, en tant que point de départ pour la construction de modèles.Notre intérêt se porte ensuite sur la supersymétrie. Nous étudions sa brisure, à la fois dans des modèles explicites dans l'ultraviolet qui génèrent une échelle de brisure de supersymétrie basse à partir de matière à haute échelle, et au niveau des théories effectives à l'aide de la supersymétrie non-linéaire. En ce qui concerne ce dernier thème, nous nous restreignons à l'approche des superchamps contraints. Enfin, nous présentons des solutions classiques exactes d'un modèle supersymétrique dont la portée est grande, le modèle de Wess-Zumino d'un superchamp chiral.Finalement, nous nous intéressons à la théorie des cordes. Nous calculons des spectres de cordes en guise d'illustration de la structure de la théorie et de point de départ pour le calcul d'amplitudes du vide à une boucle. Celles-ci nous permettent de tester l'une des conjectures du swampland, qui désigne la gravité comme la plus faible des forces, dans une configuration de théorie des cordes où la supersymétrie est brisée. Enfin, les axions en théorie des cordes sont analysés, en particulier lorsqu'ils sont chargés sous une symétrie de jauge abélienne anormale. / The aim of this thesis is to study various but interconnected theories for new physics beyond the standard model of particle physics. Those are theories of a new kind of particles, axions, a new symmetry principle, supersymmetry, and a new description of fundamental degrees of freedom, string theory. Constant instrumental and theoretical progresses made over the years maintain those already old subjects as leading BSM candidates.Axions are first reviewed and studied from a phenomenological perspective: we present models which disentangle the different scales which define the axion parameter space, and we discuss axions which arise in models of flavour physics. Motivated by swampland considerations, we insist on using gauge, and not global, symmetries as model building inputs.The focus then shifts to supersymmetry. We study its breaking, both in explicit ultraviolet models which generate a low supersymmetry breaking scale from high-scale matter, and at the effective field theory level using non-linearly realized supersymmetry. In our study of the latter topic, we focus on the constrained superfield approach. Finally, we present exact classical solutions of a supersymmetric model with broad application scope, the Wess-Zumino model of a chiral superfield.Last, we discuss string theory. We compute string spectra as illustrations of the structure of the theory and as starting points to compute one-loop vacuum amplitudes. Those are used to understand supersymmetry breaking in string theory, as well as brane interactions. Then, the latter enable us to test one of the swampland criteria, the weak gravity conjecture, in a string theory setup with broken supersymmetry. Finally, axions in string theory are scrutinized, in particular when they are charged under an anomalous abelian factor of the gauge group.

Je discute quelques activités récentes en deux parties indépendantes. La première partie décrit une technique de resommation particulière des séries perturbatives qui peut donner des résultats non-perturbatifs dans certains cas. On détaille quelques applications en théorie des champs et de la matière condensée. Dans la deuxième partie, on développe quelques activités récentes en phénoménologie du modèle supersymétrique standard minimal, concernant le calcul précis du spectre de masse des particules supersymétriques, le calcul de la densité relique de matière noire supersymétrique, et les contraintes théoriques et expérimentales actuelles qu'on peut en déduire sur certains modèles.

Les preuves astronomiques stipulent qu'environ 4\% de la densité de masse-énergie de l'univers serait composé d'atomes. Le reste est séparé entre la matière sombre, qui représente 24\% de la densité de masse-énergie, et l'énergie sombre, qui s'accapare les 71\% restant. Le neutralino est une particule prédite par la théorie de la supersymétrie et est un candidat à la composition de la matière sombre. Le Projet d'Identification des Candidats Supersymétriques Sombres (PICASSO) vise à détecter le neutralino en utilisant des détecteurs à gouttelettes de C$_4$F$_{10}$ en surchauffe. Lors du passage d'une particule dans les gouttelettes de C$_4$F$_{10}$, une transition de phase aura lieu si l'énergie déposée est au-delà du seuil prédit par le critère de nucléation d'une transition de phase (théorie de Seitz). L'onde acoustique émise durant la transition de phase est ensuite transformée en impulsion électrique par des capteurs piézoélectriques placés sur le pourtour du détecteur. Le signal est amplifié, numérisé puis enregistré afin de pouvoir être analysé par des outils numériques. L'ouvrage qui suit présente les travaux effectués sur la compréhension des signaux des détecteurs à gouttelettes en surchauffe dans le but d'améliorer la discrimination du bruit de fond. Un détecteur à petites gouttelettes, r $\approx 15\mu m$ a été étudié et comparé à une simulation Monte Carlo. Il s'est avéré que les possibilités de discrimination du bruit de fond provenant des particules alpha étaient réduites pour un détecteur à petites gouttelettes, et ce en accord avec le modèle théorique. Différentes composantes du système d'acquisition ont été testées dont le couplage entre le capteur piézoélectrique et la paroi en acrylique, l'efficacité des capteurs piézoélectriques à gain intégré et les conséquences de la force du gain sur la qualité du signal. Une comparaison avec des résultats de l'expérience SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) a été effectuée en mesurant des signaux de détecteurs PICASSO à l'aide d'un microphone électrostatique à électret. Il a été conclu que les détecteurs PICASSO ne parviennent pas à reproduire la discrimination quasi parfaite présentée par SIMPLE. / Experimental measurements show that only 4\% of the mass-energy density of the universe is made of atomic matter. Dark matter and dark energy are responsible for 24\% and 71\% of the mass-energy density. The theory of supersymmetry predicts a new set of particles. The neutralino, which is the lightest stable particle, is one of the favorite candidates for dark matter. The Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects (PICASSO) seeks dark matter using superheated droplets detectors (SDD). A phase transition occurs when a particle interact with a C$_4$F$_{10}$ droplet and deposits enough energy within a certain critical radius. An acoustic wave is created during this phase transition and piezoelectric sensors transform this acoustic signal into an electrical signal. This signal is then amplified, digitised and recorded for further analysis. In this work is presented a study on superheated droplets detectors aiming in particular at an improvement of the alpha background discrimination. The data acquisition system has been tested in order to check the coupling between the piezoelectric sensors and the acrylic wall of the detector, the efficiency of the amplifier gain of the piezoelectric sensors and the effect of the gain on the quality of the signal. The SIMPLE (Superheated Instrument for Massive ParticLe Experiments) experiment stated that they could obtain a 97\% discrimination of the alpha background using superheated droplets detectors and electric microphones. This work concludes that PICASSO detectors are not sensitive to this effect. Finally, a small droplet detector has been studied and it has been concluded that a small droplets site does not improve the alpha background discrimination.

Dans cette thèse, nous étudions à la fois des observables de basse et de haute énergie liée à la présence de neutrinos massifs. Les oscillations de neutrinos ont apporté des preuves indiscutables en faveur de l'existence de masses non-nulles et de mélanges. Néanmoins, la formulation originale du Modèle Standard ne permet pas d'expliquer ces observations, d'où la nécessité d'introduire de nouveaux modèles. Parmi de nombreuses possibilités, nous nous concentrons ici sur le seesaw inverse, un mécanisme générant des neutrinos massifs par l'ajout de fermions singulets de jauge au Modèle Standard. Ce modèle offre une alternative attractive aux réalisations habituelles du seesaw puisqu'il a des couplages de Yukawa potentiellement naturels (O(1)) tout en conservant l'échelle de la nouvelle physique à des énergies accessibles au LHC. Parmi de nombreux effets, ce scénario peut générer de larges écarts à l'universalité leptonique. Nous avons étudié ces signatures et trouvé que les rapports R_K et R_π constituent de nouvelles contraintes pour le seesaw inverse. Nous nous sommes aussi intéressé à l'intégration de l'inverse seesaw dans différents modèles supersymétriques. Ceci conduit à une augmentation de la section efficace de divers processus violant la saveur leptonique du fait de contributions plus importantes venant des diagrammes pingouins comportant un boson de Higgs ou Z. Finalement, nous avons aussi trouvé que les nouveaux canaux de désintégration ouverts par la présence de neutrinos stériles dans les modèles de seesaw inverse supersymétriques peuvent significativement relaxer les contraintes sur la masse et les couplages d'un boson de Higgs CP-impair. / In this doctoral thesis, we study both low- and high-energy observables related to massive neutrinos. Neutrino oscillations have provided indisputable evidence in favour of non-zero neutrino masses and mixings. However, the original formulation of the Standard Model cannot account for these observations, which calls for the introduction of new Physics. Among many possibilities, we focus here on the inverse seesaw, a neutrino mass generation mechanism in which the Standard Model is extended with fermionic gauge singlets. This model offers an attractive alternative to the usual seesaw realisations since it can potentially have natural Yukawa couplings (O(1)) while keeping the new Physics scale at energies within reach of the LHC. Among the many possible effects, this scenario can lead to deviations from lepton flavour universality. We have investigated these signatures and found that the ratios R_K and R_π provide new, additional constraints on the inverse seesaw. We have also considered the embedding of the inverse seesaw in supersymmetric models. This leads to increased rates for various lepton flavour violating processes, due to enhanced contributions from penguin diagrams mediated by the Higgs and Z bosons. Finally, we also found that the new invisible decay channels associated with the sterile neutrinos present in the supersymmetric inverse seesaw could significantly weaken the constraints on the mass and couplings of a light CP-odd Higgs boson.

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Le sujet de cette thèse est « L’étude dans le canal avec deux leptons de même signe de la physique du top au-delà du Modèle Standard avec le détecteur ATLAS au LHC et l’étude du niveau de déclenchement L1 du calorimètre ». Cette thèse porte sur la recherche de processus de nouvelle physique au LHC faisant jouer au quark top un rôle particulier. Le LHC est un collisionneur de protons, conçu pour un fonctionnement nominal avec une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. Jusqu’à fin 2011 il a fonctionné avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les premières données recueillies (5 fb−1 à 7 TeV) nous ont permis de contraindre certains paramètres de la nouvelle physique recherchée. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse. Celle-ci est divisée en trois parties. La première décrit rapidement l’accélérateur avant de s’intéresser à l’expérience ATLAS et au fonctionnement de son détecteur. Le bon fonctionnement des cartes de sommation du signal du calorimètre électromagnétique pour le premier niveau de déclenchement des événements a été tout particulièrement étudié. La deuxième partie est une analyse phénoménologique de la physique au-delà du Modèle Standard avec quatre quarks top dans l’état final pour plusieurs modèles théoriques. Cette étude a été effectuée principalement au niveau générateur pour 14 TeV dans le centre de masse mais nous commentons également les perspectives à 7 TeV. Elle peut être appliquée à l’expérience ATLAS comme à l’expérience CMS. La troisième partie est une étude expérimentale, réalisée avec le détecteur ATLAS, recherchant des manifestations d’un modèle de Higgs composite prédisant l’existence de partenaires exotiques au quark top (T5/3) et d’un modèle de théorie effective de production des 4 tops. Une limite sur la masse du partenaire exotique a été obtenue ainsi qu’une limite sur la section efficace des événements exotiques à quatre tops. / The subject of this thesis is the « Study in the two same sign leptons channel of top Beyond Standard Model Physics with the ATLAS detector at the LHC and the study of the L1 Calo Trigger ». The central subject of this thesis is the search for new physics in which the top quark plays a crucial role. The LHC is a proton collider, designed for a nominal operation with 14TeV. in the center of mass. Until december 2011 it worked with an energy of 7 TeV in the center of mass. The first 5 fb−1 of collected data allowed us to constrain some parameters of the new physics processes presented in this thesis. The document is divided into three parts : the first one describes briefly the LHC accelerator before presenting the ATLAS experiment and operation of the detector. The Tower Builder Boards for the electromagnetic level one trigger are especially studied. The second part is a phenomenological analysis of physics beyond the Standard Model with four top quarks in the final state. This analysis is presented for several theoretical models. This study was performed mainly at the generator level for 14 TeV in the center of mass but we also comments on prospects at 7 TeV. It can be applied to both ATLAS and CMS experiments. The third part is an experimental study, performed with the ATLAS detector, searching for two exotic processes with two same signe leptons in the final state (T5/3 and four tops production). A limit on the mass of the top partner T5/3 has been obtained as well as a limit on the cross section of exotic events with four tops.

Le modèle standard de la physique des particules a été développé dans les années 1970. Malgré de grands succès expérimentaux, il présente des problèmes qui ne peuvent être résolus qu'avec des extensions du modèle. La supersymétrie est un candidat particulièrement intéressant, qui postule simplement une symétrie supplémentaire entre bosons et fermions. En plus d'apporter des réponses dans le domaine de la physique des particules, la supersymétrie trouve des applications intéressantes en cosmologie. Elle contient des candidats possibles à la matière noire, qui représente 25\% de la densité d'énergie de l'Univers et dont la nature est inconnue. Un autre problème cosmologique intéressant est celui des problèmes du lithium dans le cadre de la nucléosynthèse primordiale décrivant la production des éléments légers dans les premières secondes de l'Univers après le Big Bang. Les abondances de lithium prévues par la théorie sont incompatibles avec les observations. J'étudie ici un scénario où une particule supersymétrique, le gravitino, est un candidat à la matière noire et la production de cette particule par désintégration d'autres particules supersymétriques permet de résoudre les problèmes du lithium.