The Standard Model predicts existence of one Higgs boson with combined parity CP = +1. In MSSM there exist Higgs boson with CP = −1 in addition. The work develops one method of Higgs boson CP determination on the basis of angular correlations of pions and ρ-mesons born in cascade decay H/A → τ− τ+ → ρ− /π− ντ ρ+ /π+ ¯ντ . The calculations are done in the leading order of perturbation theory. Further, the possibility of signal (Higgs boson decay) and background (Z boson decay) differentiation is studied. The processes in question are simulated using Monte Carlo generators Pythia and Tauola. Simulation outputs are compared with calculated theoretical results. 1

Le 4 Juillet 2012, la découverte d'une nouvelle particule scalaire d'une masse de l’ordre de 125 GeV a été annoncée par les collaborations ATLAS et CMS.Une nouvelle ère s'annonce : celle au cours de laquelle il faudra déterminer précisément les propriétés de cette nouvelle particule.Cela est crucial afin d'établir si cette particule est bien la trace du mécanisme responsable de la brisure de la symétrie du secteur électro-faible. Cela permettrait aussi de repérer tout élément susceptible d'être associé à une « nouvelle physique » dans le cas où le mécanisme de brisure ferait intervenir des ingrédients autres que ceux prédits par le Modèle Standard.Dans cette thèse, nous avons essayé de comprendre et de caractériser jusqu’à quel point ce nouveau champ scalaire est le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Nous avons établi les applications d'une telle découverte dans le contexte de théories supersymétriques et de modèles décrivant la matière noire.Dans une première partie consacrée au Modèle Standard de la physique des particules, nous étudions après une courte introduction au domaine, le processus de production d'une paire de bosons de Higgs au LHC. Un résultat majeur est que ce mode de production permettra de mesurer le couplage trilinéaire du Higgs qui est un paramètre essentiel à mesurer afin de reconstruire le potentiel du Higgs et donc représente la dernière vérification à effectuer pour confirmer l'origine de la brisure spontanée de la symétrie électro-faible.La deuxième partie traite des théories supersymétriques. Après une introduction au sujet, un de nos importants résultats est d'avoir fortement contraint un certain nombre de modèles supersymétriques après la découverte du boson de Higgs. Nous avons aussi introduit une nouvelle approche qui permet aux physiciens expérimentateurs de rechercher de manière efficace les bosons de Higgs supersymétriques dans les expériences actuelles et futures du LHC.La troisième partie concerne la matière noire. Nous présentons des résultats qui établis-sent d'importantes limitations sur des modèles où la matière noire interagirait avec le boson de Higgs. Nous discutons aussi de scénarios alternatifs qui font intervenir de la matière noire hors équilibre avec le bain thermique. Dans un premier temps nous dé-montrons qu'il existe un lien étroit entre la température de réchauffement de l'univers et le schéma de brisure du groupe de jauge du Modèle Standard et dans un deuxième temps nous étudions la genèse de matière noire par l'intermédiaire de nouveaux bosons Z’. / On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z’ portal.

Le futur Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur leptonique dont le but est de poursuivre le programme physique effectué par le LHC. Ce collisionneur permettra, entre autres, de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC. Deux détecteurs de particules sont prévus pour équiper le point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD. Ces deux détecteurs sont conçus afin de permettre l'application d'algorithmes de suivi de particules. Cette technique innovante permettrait d'améliorer la reconstruction et la mesure en énergie des jets. Pour permettre l'application de ces algorithmes de suivi de particules, les calorimètres équipant ces détecteurs doivent disposer d'une très grande granularité. Le calorimètre hadronique à lecture semi-numérique SDHCAL fait partie des options possibles pour équiper l'ILD. Ce calorimètre utilise des chambres à plaques résistives de verre comme partie active. La lecture s'effectue par des canaux de 1 cm x 1 cm. Un prototype a été développé en 2011, en grande partie à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et régulièrement soumis à des faisceaux de muons, d'électrons et de hadrons au CERN. Une grande partie de cette thèse est consacrée à mes travaux sur le programme de simulation du SDHCAL. L'analyse des données enregistrées en Octobre 2015 m'a permis de perfectionner l'algorithme de simulation des chambres à plaques résistives de verre utilisées dans le prototype. Une comparaison de la topologie des gerbes hadroniques et électromagnétiques entre des gerbes provenant de données expérimentales et des gerbes simulées sera présentée. Une autre partie est consacrée à la reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques au sein du SDHCAL. En utilisant la simulation du SDHCAL, j'ai pu étudier l'impact de la composante électromagnétique sur l'estimation de l'énergie des gerbes hadroniques, ce qui m'a permis de proposer une méthode alternative de reconstruction de l'énergie permettant d'améliorer les performances du SDHCAL. J'ai pu également étudier l'impact de l'utilisation d'une électronique de lecture plus avancée sur l'estimation de l'énergie. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la mesure de la section efficace du processus e+e- → HZ en utilisant les désintégrations hadroniques du Z, dans le cadre d'une simulation complète de l'ILD utilisant le SDHCAL comme calorimètre hadronique. Pour une énergie de collision de 250 GeV, la précision attendue sur la mesure de cette section efficace est de 1,8%. Cette précision est comparable à celle obtenue en utilisant les désintégrations leptoniques du Z / The future International Linear Collider ILC is a project of a leptonic collider which aims to continue the physical program of the LHC. Using this collider, it will be possible to precisely measure the properties of the Higgs Boson, discovered in 2012 at the LHC. Two particle detectors are planned to equip the colliding point of the ILC, the International Large Detector ILD, and the Silicon Detector SiD. These two detectors are designed with the prospect of using particle flow algorithms. This innovative technique can improve the reconstruction and energy measurement of the jets. To apply these particle flow algorithms, highly granular calorimeters have to be used. The semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL is proposed to equip the International Large Detector. This calorimeter uses Glass Resistive Plate Chambers as the active part. The readout is done using 1cm x 1cm channels. A prototype has been developed in 2011, mainly at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon, and regularly exposed to muons, electrons and hadrons beams at CERN. During this thesis, I mainly worked on the SDHCAL simulation program. Using the data taken in October 2015, I could improve the algorithm which simulates the response of the Glass Resistive Plate Chambers used in the prototype. A comparison of the topology of the electromagnetic and hadronic showers from data and simulation will be presented. Another part of this thesis is focused on the energy reconstruction of the hadronic showers in the SDHCAL. By using the SDHCAL simulation, I could study the impact of the electromagnetic component on the energy estimation of the hadronic showers, from which I could propose an alternative method for reconstructing the energy, which improves the performance of the SDHCAL. I could also study the impact of using a more advanced readout electronics on the energy estimation

Following the announcement of the discovery of a new particle on the 4th of July 2012 at the ATLAS and CMS experiments at the LHC, many efforts were needed for the understanding of its properties and to discern whether it is the Standard Model Higgs boson. The research presented in this thesis is based on the H → ZZ(*) → 4l decay channel. Three main contributions are discussed: the Standard Model Higgs boson mass measurement, the search for a heavy Higgs boson, and lastly, the implementation of a kinematic likelihood fitter as a new approach to improve the invariant mass resolution of the final states. The Standard Model Higgs boson mass measurement is presented. The measured mass is 124:51± 0:52(stat)± 0:06(syst) GeV for the combined data taken during 2011 and 2012 (4:6 fb-¹ at 7 TeV and 20:7 fb-¹ at 8 TeV). Contributing to the mass measurement, a tool was developed to validate the model used by generating several pseudo datasets from Monte Carlo samples and fitting them with the profile likelihood. The results show that the model is correct and only small deviations are seen in the parameters of interest, mH, and the signal strength, μ. Studies in the asymptotic limit show that these deviations are a symptom of low statistics in some of the final states. The search for a heavy Higgs boson is presented as well. No significant excess of events over the Standard Model prediction is found. A simultaneous fit to the profile likelihood gives 95% confidence level upper limits on the production cross-section of a heavy Higgs times the branching ratio to Z boson pairs in the mass range from 140 GeV to 1 TeV. Contributing to this search, a pseudo dataset, called Asimov dataset, is created from the Monte Carlo samples to test the profile likelihood fits and validate the model used. The results show that fit the model is correct. In addition, the limits are also interpreted in the context of Type I and Type II Two Higgs Doublet Models (2HDM). Finally, a Kinematic Likelihood Fitter (KLFitter) is studied and used to constrain the Z boson mass as an alternative to the standard tool used for the 2011 and 2012 measurement. This affects the distribution of the invariant mass, m4l, from which the Higgs boson mass is inferred. Small improvements are seen in the invariant mass resolution when higher hypothetical Higgs boson masses are considered.

The Higgs boson and the top quark have been a focus in modern elementary particle physics research because of their special roles in the Standard Model (SM) of particle physics. The studies of both particles are crucial for revealing the unsolved puzzles of modern particle physics. The coupling between the Higgs boson and the top quark, the top-Yukawa coupling, is one of the fundamental parameters in the SM that can potentially direct the future development of the theory of elementary particle physics. This thesis presents two analyses on the Higgs boson and the top quark, using proton-proton (pp) collision data collected by the ATLAS detector during 2012 and 2015. A search for the SM Higgs boson produced in association with a top quark pair (tt̄H) was performed using 20.3 fb⁻¹ of pp collision data at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. The search is designed to be primarily sensitive to the H → bb decay mode. Events with one of two electrons or muons are used in the search. No significant excess of events is observed above the background predicted by the SM. An observed (expected) upper limit on the signal strength of 3.4 (2.2) times the SM prediction is obtained at 95% confidence level. The tt̄H signal strength, represented by the ratio of the measured tt̄H cross-section to the SM prediction, is found to be μ = 1.5 ± 1.1 for a Higgs boson mass of m_H = 125 GeV. A measurement of the top quark pair (tt̄) production cross-section was performed using 3.2 fb⁻¹ of pp collision data at √s = 13 TeV. The measurement uses events with an opposite-charge-sign electron-muon pair and exactly one and two jets originating from b quarks. The inclusive tt̄ production cross-section is measured to be σ_tt̄ = 818 ± 8(stat) ± 27(syst) ± 19(lumi) ± 12(beam) pb, where the uncertainties arise from data statistics, analysis systematic effects, the integrated luminosity and the LHC beam energy. The total relative uncertainty is 4.4%. The result is consistent with the theoretical prediction at the next-to-next-to-leading order accuracy in the strong coupling constant αs of QCD, with the resummation of next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) soft gluon terms. A fiducial cross-section corresponding to the experimental acceptance of leptons is also measured.

No description available.

Ce mémoire accentue des aspects du programme de recherche pour un futur collisionneur linéaire des électrons et positrons permettant de faire de la physique de précision à l'echelle de TeV où l'apparition des phénomènes au-delà du Modèle Standard de la physique de particules est attendue. La proposition la plus mature pour une telle machine est l'International Linear Collider (ILC) conçue pour des énergies dans le centre de masse entre 90 GeV et 1 TeV. Les résultats obtenus avec des expériences de précision précédentes suggèrent l'existence du boson de Higgs ayant une masse d'environ 120 GeV. En assumant des paramètres nominaux pour les faisceaux et la luminosité, l'ILC est prometteur d'atteindre une précision de 2-3% sur la section efficace de la Higgs-strahlung et d'environ 30 MeV sur la masse du boson de Higgs. Les détecteurs qui seront opérés au sein de l'ILC comprendront des calorimètres à haute granularité. Ce nouveau type de calorimètre constitue l'outil principal pour atteindre une résolution en énergie des jets de 30%/\sqrt{E}. Le calorimètre électromagnétique sera composé par tungstène comme matériel absorbant et il est actuellement favorisé d'employer des diodes de silicium comme matériel actif. Le document décrit des détails du programme de R&D pour ce calorimètre par rapport à la mécanique et du développement de l'électronique frontale qui sera integrée dans les couches du calorimètre. En plus, l'état actuel du développement des galettes de silicium est abordé. Les résultats obtenus dans les campagnes de test en faisceau avec un premier prototype confirment les paramètres appliqués dans les études de la ''Letter of Intent'' publiée par le groupe de concept ILD en 2009.

In partial fulfillment of the requirements for the "Habilitation a Diriger des Recherches" at Pierre et Marie Curie University in Paris

The Higgs boson has an important role in the theoretical formulation of the standard model of fundamental interactions. Symmetry breaking of the vacuum via the Higgs field allows the gauge bosons of the weak interaction and all fermions to acquire mass in a way that preserves gauge-invariance, and thus renormalizablility. The Standard Model can accommodate an arbitrary number of Higgs fields with appropriate charge assignments. To explore the effects of multiple Higgs particles, the SU(2)-multi-Higgs model is studied using lattice simulations, a non-perturbative technique in which the fields are placed on a discrete space-time lattice. The formalism and methods of lattice field theory are discussed in detail. Standard results for the SU(2)-Higgs model are reproduced via Monte Carlo simulations, in particular the single-Higgs phase structure, which has a region of analytic connection between the symmetric and Higgs phases. The phase structure of the SU(2)-multi-Higgs model is explored for the case of N >= 2 identical Higgs fields. There is no remaining region of analytic connection between the phases, at least when interactions between different Higgs flavours are omitted. An explanation of this result in terms of enhancement from overlapping phase transitions is explored for N = 2 by introducing an asymmetry in the hopping parameters of the Higgs fields.

The Higgs boson has an important role in the theoretical formulation of the standard model of fundamental interactions. Symmetry breaking of the vacuum via the Higgs field allows the gauge bosons of the weak interaction and all fermions to acquire mass in a way that preserves gauge-invariance, and thus renormalizablility. The Standard Model can accommodate an arbitrary number of Higgs fields with appropriate charge assignments. To explore the effects of multiple Higgs particles, the SU(2)-multi-Higgs model is studied using lattice simulations, a non-perturbative technique in which the fields are placed on a discrete space-time lattice. The formalism and methods of lattice field theory are discussed in detail. Standard results for the SU(2)-Higgs model are reproduced via Monte Carlo simulations, in particular the single-Higgs phase structure, which has a region of analytic connection between the symmetric and Higgs phases. The phase structure of the SU(2)-multi-Higgs model is explored for the case of N >= 2 identical Higgs fields. There is no remaining region of analytic connection between the phases, at least when interactions between different Higgs flavours are omitted. An explanation of this result in terms of enhancement from overlapping phase transitions is explored for N = 2 by introducing an asymmetry in the hopping parameters of the Higgs fields.