The top quark has been extensively studied since the Large Hadron Collider (LHC) began operating in 2010. The excellent performance of both the LHC and the Compact Muon Solenoid (CMS) detector has enabled complex analyses of many properties of the top quark. In this thesis inclusive and differential top pair (tt) production cross sections have been measured. Inclusive tt cross sections of 145.6 ± 8.2 (stat.) +38.1/28.3 (syst.) pb and 237.4 ± 1.9 (stat.) +20.4/-16.9 (syst.) pb were measured at 7 TeV and 8 TeV center-of-mass collision energies using luminosities of 1 fb⁻¹ and 19.7 fb⁻¹, respectively. These measurements were performed in the semi-leptonic channel by means of a maximum likelihood t of the lepton's pseudorapidity. The work in this thesis focuses specifically on the muon-plus-jets channel. The methods used for measuring the inclusive cross sections were built upon to measure differential cross sections with respect to event level observables. These observables include the missing transverse energy (Emiss T ) as well as some other kinematic distributions involving the jets, lepton and Emiss T in the decay. These results are unfolded to remove detector and selection effects and have uncertainties in the range of 3% to 15%. A low uncertainty is achieved by normalising the differential cross section using the total cross section. This leads to cancellations of some uncertainties. The results were compared with different Monte Carlo generators and with different input parameters. No significant deviations from predictions of the Standard Model were observed. This thesis also contains test beam results on CMS ECAL Endcap Lead Tungstate (PbWO4) crystals. These crystals had been damaged using various doses of proton irradiation. The damage for some crystals is expected to be roughly equivalent to 300 fb-1 of integrated luminosity at √s = 14 TeV. The energy resolution for these crystals was seen to reduce by close to a factor of 20.

Utilisant des données Monte-Carlo ATLAS en simulation complète du canal ttH;H->WW(*), cette thèse prsésente une étude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosité intégrée de 30fb(-1) dans la gamme de masses du Higgs allant de 120 à 200GeV. Les effets du système de déclenchement, de l'empilement des événements, ainsi que de toutes les erreures systématiques possibles ont été étudiés. Pour une masses du Higgs de 160GeV, en incluant les erreures systématiques, la significance obtenue du signal est à 2 sigma en combinant les états finaux à deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combiné sigma_ttH*Br(H->WW(*)) peut atteindre une précision de 47 %.Cette thèse comprend également une étude de la linéarité de la réponse à des électrons VLE avec des données de tests en faisceau combiné d'un secteur du détecteur ATLAS. Les résultats MC utilisant une graine multiple 5X5 permettent d'envisager une amélioration future de la linéarité de réponse à des électron VLE.

Le boson de Higgs est l'une des particules elementaires predites par le modele standard, et la seule pas encore observee experimentalement. La recherche de la particule de Higgs est l'objectif premier de nombreuses experiences à haute energie au cours des dix dernieresannees. Selon le modele standard, les bosons W, Z0 bosons obtiennent leurs masses de la brisure spontanee de la symetrie du vide par le mecanisme de Higgs, tandis que les fermions obtiennent leurs masses par couplage de Yukawa avec le boson Higgs. Ce couplage est une des plus importantes proprietes du Higgs et permet de distinguer si il est de type modele standard ou non. Le Grand Collisioneur de Hadron (Large Hadron Collider ou LHC) au CERN est un collisionneur proton-proton avec une energie dans le centre de masse de 14 TeV. ATLAS est un detecteur de particules de type generaliste situe aupres d'un des points de collision du LHC. Le debut de la prise des donnees est prevue pour cet ete. Les principaux objectifs de physique de l'experience ATLAS sont les recherches du boson de Higgs, de particules SUSY et les mesures de precision electro-faibles. Utilisant des donnees Monte-Carlo ATLAS CSC (Computing System Commissioning) en simulation complµete du canal t¹tH;H ! WW, cette these presente une etude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosite integree de 30fb 1 dans la gamme de masses du boson de Higgs allant de 120 a 200GeV=c2. Pour la premiµere fois, les effets du systeme de declenchement, de l'empilement des evenements, ainsi que de toutes les erreurs systematiques possibles ont ete extensivement etudies. Pour une masses du Higgs de 160GeV=c2, en incluant toutes les erreures systematiques, la signicance obtenue du signal est superieure µa 2¾ en combinant les etats naux a deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combine ¾ t¹tH BrHWW peut atteindre une precision de 47 % et donner des informations importantes sur le couplage de Yukawa du quark top. C'est la premiere etude du canal t¹tH;H WW en simulation detaillee du detecteur ATLAS, incluant une etude complete et detaillee des erreurs systematiques. La partie la plus dicile de l'analyse de t¹tH;H WW est d'extraire le signal du bruit de fond abondant car la section efficace du signal est seulement 0:1% de celle du bruit de fond tt. En outre, le signal presente un etat final complexe d'au moins quatre jets, deux leptons et deux neutrinos qui rendent tres diffcile la reconstruction du spectre de masse du Higgs. L'isolation leptonique est un des moyens les plus importants pour supprimer le bruit de fond reductible. Cette these developpe une procedure dediee d'isolation en cone permettant de supprimer le bruit principal t¹t par un facteur 5. L'incertitude sur l'echelle d'energie leptonique est l'une des principales sources d'incertitude systematique pour cette analyse t¹tH;H WW. Une bonne linearite de reponse pour des electrons de tres basses energies (VLE) permettrait d'ameliorer la performance de l'estimation de l'echelle d'energie des electrons. Cette these comprend egalement une etude de la linearite de la reponse à des electrons VLE avec des donnees de tests en faisceau combine (CTB) d'un secteur du detecteur ATLAS. Une premiere methode basee sur l'utilisation, evenement par evenement, de chambreà fils proche du faisceau est presentee. Puis une autre methode est etudiee par simulation Monte-Carlo. Elle est basee sur l'utilisation d'un etalonnage s'appuyant sur une constante de calibration obtenue par une aggregation des energies par graine multiple de 5 par 5. Les resultats de simulation de cette methode permettent d'envisager une amelioration future de la linearite de reponse à des electrons VLE.

One of the goals of the LHC is to test the existence of the Higgs Boson. This thesis presents a study of the potential to discover the Standard Model Higgs boson in the vector boson fusion (VBF) channel for the Higgs mass range 120-200 GeV/c2. The decay of Higgs bosons into WW* final state with both W-bosons decaying leptonically is considered. The main backgrounds are tt_+j and W+W-jj. This study, based on a full simulation of the CMS detector at the LHC, shows that a 5(Sigma) discovery can be done with an integrated luminosity of 12-72 fb-1 for 130-200 GeV/c2 Higgs bosons. Due to the uncertainties in the backgrounds, it is important to measure the backgrounds from data. This study shows that the major background can be measured directly to 7% with 30 fb-1. After discovering the Higgs boson mass using transverse mass template distributions is investigated in the VBF channel. The performance of the combined CMS electromagnetic and hadronic calorimeters (EB+HB) was measured at the H2 test beam at the CERN SPS during 2006 with various partivles in a large momentum range, 1-350 GeV/c. Another major contribution of this thesis is developing the method to optimize the energy reconstruction for the combined EB+HB system with which the corrected responses become 100% with 6% fluctuation and the stochastic resolution is improved from 111% to 94%.

Le Large Hadron Collider (LHC), située au CERN, Genève, produit des collisions de protons accélérés à une énergie de 3.5 TeV depuis le 23 Novembre 2009. L’expérience ATLAS enregistre depuis des données et poursuit sa recherche de nouvelle physique à travers l’analyse de la cinématique des événements issues des collisions. L’augmentation prévue de la luminosité sur la période s’étalant de 2011 2020 apportera de nouveaux défis pour le détecteur qui doivent être considérés pour maintenir les bonnes performance de la configuration actuelle. Le détecteur interne sera le sous-détecteur le plus affecté par l’augmentation de la luminosité qui se traduira par une augmentation des dommages occasionnés par la forte radiation et par la multiplication du nombre de traces associées à chaque croisement de faisceau. Les dommages causés par l’irradiation intense entrainera une perte d’efficacité de détection et une réduction du nombre de canaux actifs. Un intense effort de Recherche et Développement (R&D) est présentement en cours pour concevoir un nouveau détecteur pixel plus tolérant aux radiations et au cumul des événements générant un grand nombre de traces à reconstruire. Un premier projet de mise-à-jour du détecteur interne, nommé Insertable B-Layer (IBL) consiste à ajouter un couche de détection entre le tube à vide du faisceau et la première couche de silicium. Le projet SLHC prévoit de remplacer l’ensemble du détecteur interne par une version améliorée plus tolérante aux radiations et aux cumuls des événements. Dans cet ouvrage, je présente une étude utilisant la simulation technologique assisté par ordinateur (TCAD) portant sur les méthodes de conception des détecteurs pixels planaires permettant de réduire les zones inactives des détecteurs et d’augmenter leurs tolérances aux radiations. Les différents modèles physiques disponible ont étés étudiés pour développer un modèle cohérent capablede prédire le fonctionnement des détecteurs pixels planaires après irradiation. La structure d’anneaux de gardes utilisée dans le détecteur interne actuel a été étudié pour obtenir de l’information sur les possible méthodes permettant de réduire l’étendu de la surface occupée par cette structure tout en conservant un fonctionnement stable tout au long de la vie du détecteur dans l’expérience ATLAS. Une campagne de mesures sur des structures pixels fut organisée pour comparer les résultats obtenue grâce à la simulation avec le comportement des structures réelles. Les paramètres de fabrication ainsi que le comportement électrique ont été mesurés et comparés aux simulations pour valider et calibrer le modèle de simulation TCAD. Un modèle a été développé pour expliquer la collection de charge excessive observée dans les détecteurs planaires en silicium lors de leur exposition a une dose extrême de radiations. Finalement, un modèle simple de digitalisation à utiliser pour la simulation de performances détecteurs pixels individuels exposés à des faisceau de haute énergie ou bien de l’ensemble du détecteur interne est présenté. Ce modèle simple permets la comparaison entre les données obtenue en faisceau test aux modèle de transport de charge inclut dans ladigitalisation. Le dommage dû à la radiation , l’amincissement et l’utilisation de structures à bords minces sont autant de structures dont les effets sur la collecte de charges affectent les performance du détecteur. Le modèle de digititalisation fut validé pour un détecteur non-irradié en comparant les résultats obtenues avec les données acquises en test faisceau de haut énergie. Le modèle validé sera utilisé pour produire la première simulation de l’IBL incluant les effets d’amincissement du substrat, de dommages dûes aux radiations et de structure dotés de bords fins. / In this work, is presented a study, using TCAD simulation, of the possible methods of designing of a planar pixel sensors by reducing their inactive area and improving their radiation hardness for use in the Insertable B-Layer (IBL) project and for SLHC upgrade phase for the ATLAS experiment. Different physical models available have been studied to develop a coherent model of radiation damage in silicon that can be used to predict silicon pixel sensor behavior after exposure to radiation. The Multi-Guard Ring Structure,a protection structure used in pixel sensor design was studied to obtain guidelines for the reduction of inactive edges detrimental to detector operation while keeping a good sensor behavior through its lifetime in the ATLAS detector. A campaign of measurement of the sensor’s process parameters and electrical behavior to validate and calibrate the TCAD simulation models and results are also presented. A model for diode charge collection in highly irradiated environment was developed to explain the high charge collection observed in highly irradiated devices. A simple planar pixel sensor digitization model to be used in test beam and full detector system is detailed. It allows for easy comparison between experimental data and prediction by the various radiation damage models available. The digitizer has been validated using test beam data for unirradiated sensors and can be used to produce the first full scale simulation of the ATLAS detector with the IBL that include sensor effects such as slim edge and thinning of the sensor.