This thesis presents a measurement of the mass, natural width, and signal strength, defined as the yield normalized to the Standard Model prediction, of the Higgs boson in the \(H \rightarrow ZZ^{(*)} \rightarrow 4l\) decay channel using an approach which utilizes event-by-event detector response information. The measurement is performed on p-p collision data recorded by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. The data corresponds to an integrated luminosity of \(25 fb^{-1}\) with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV. The measured mass of the Higgs boson is \(m_H = 124.57_{-0.43}^{+0.48} GeV\). The signal strength was estimated at \(\mu = 1.76_{-0.37}^{+0.46}\). Finally, the natural width of the Higgs was determined to be < 2.6 GeV with 95% confidence. The event-by-event approach used in this analysis involves the parameterization of the behavior of single leptons in the ATLAS detector and the convolution of a mass response with the Higgs truth distribution to derive the reconstruction level signal model. / Physics

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The discovery of a charged Higgs boson (H±) would be a clear indication for physics beyond the Standard Model. This thesis describes searches for charged Higgs bosons with the ATLAS experiment at CERN’s Large Hadron Collider (LHC). The first data collected during the LHC Run 1 is analysed, searching for a light charged Higgs boson (mH±&lt;mtop), which decays predominantly into a tau-lepton and a neutrino. Different final states with one or two leptons (electrons or muons), as well as leptonically or hadronically decaying taus, are studied, and exclusion limits are set. The background arising from misidentified non-prompt electrons and muons was estimated from data. This so-called "Matrix Method'' exploits the difference in the lepton identification between real, prompt, and misidentified or non-prompt electrons and muons. The Matrix Method is used in all charged Higgs boson searches in this thesis. In 2024 the LHC will be upgraded into a High Luminosity LHC (HL-LHC). The ATLAS detector is expected to collect around 300 fb-1 of collision data until 2022, whereas the HL-LHC will deliver about 250-300 fb-1 of data per year. This will increase the mean number of interactions per bunch crossing, resulting in larger particle fluxes. This puts challenging requirements on the electronics. In order to keep trigger and data rates at manageable levels, new trigger concepts require more intelligence at early stage which possibly results in more cables and connectors, inside the detector which lead to degraded performance of the detector system. This thesis presents new concepts using wireless technology at 60 GHz, in order add more data links inside the detector system without adding much material. Patch antennas have been developed, operating at 60 GHz. Manufacture methods have been investigated, and the fabrication tolerances and bandwidth of these antennas have been studied. Also, concepts of using passive repeaters have been investigated, to make the 60 GHz signal pass boundaries. These repeaters can be used to connect intelligence inside the detector, but also for reading out data from the whole detector radially.

This thesis outlines the search for neutral Higgs bosons in a mass range of m_H/A = 200 GeV − 1.2 TeV, decaying to a pair of hadronically decaying tau leptons. The search is performed using &radic;s = 13 TeV proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 3.21 fb^-1, recorded by the ATLAS detector. No excess over the predicted Standard Model background is observed and upper limits are placed on the production cross section times branching fraction as a function of the mass of the scalar resonance. When combined with the results of the analysis where one of the tau leptons decays to either a muon or electron, the 95% confidence level upper limit on the cross section times branching fraction ranges from 1.4 pb at m_H/A = 200 GeV to 0.025 pb at m_H/A = 1.2 TeV for a scalar boson produced via gluon-gluon fusion, and 1.6 pb at m_H/A = 200 GeV to 0.028 pb at m_H/A = 1.2 TeV for a scalar boson produced via b-associated production. The results are interpreted in the Minimal Supersymmetric extension to the Standard Model (MSSM) as a limit on the value of tan&beta;, as a function of the mass of the neutral CP-odd MSSM Higgs boson. In the mmod+ scenario, the 95% confidence level upper limit is tan&beta; &LT; 7.6 for m_A = 200 GeV, and tan&beta; &LT; 47 for m_A = 1 TeV. For the mass range m_A &GT; 500 GeV, the upper limit on tan&beta; is improved in comparison to previous ATLAS searches.

De nombreux modèles, au delà du modèle standard, prédisent l’existence de résonances se désintégrant en deux photons. La signature expérimentale très spécifique, associée à l’excellente résolution en masse et à la distribution du bruit de fond bien comprise, en font un canal roi pour la recherche de nouvelle physique.Ce document présente la recherche de nouvelles particules se désintégrant en une paire de photons effectuée auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN avec le détecteur ATLAS. L’ensemble des données de collisions de protons, accumulées en 2015 et 2016, à l’énergie dans le centre de masse de 13 TeV, correspond à 37 fb-1.J’ai développé la méthode et la procédure pour décrire un éventuel signal, en simulant des résonances de masses et largeurs variables. Avec ce modèle j’ai pu calculer l’efficacité de sélection et donner une interprétation statistique des résultats. Cette analyse a permis de montrer que les données collectées sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Des limites sur la section efficace de production couplée au rapport d’embranchement en deux photons, en fonction de la masse et de la largeur de la résonance considérée sont présentées.Le calorimètre électromagnétique de ATLAS joue un rôle clé pour cette analysis di-photon. L’excellente résolution en énergie permet de reconstruire électrons et photons avec une précision de l’ordre de 1% aux énergies considérées. J’ai pris part au fonctionnement du calorimètre lors du démarrage du run-2 et décris ici mes contributions.Finalement, un des points clé pour la mesure de la masse du boson de Higgs est la qualité de la calibration de l’énergie des photons. J’ai développé une approche qui permet de prendre en compte l’impact du développement latéral des gerbes électromagnétiques sur la reconstruction de l’énergie. Cette méthode permettra de réduire l’erreur systématique sur la mesure de la masse du boson de Higgs, mesurée par son mode de désintégration en deux photons. / New high-mass states decaying into two photons are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). The diphoton final state provides a clean experimental signature with excellent invariant mass resolution and well-known smooth backgrounds.This document presents a search for new particles with diphoton final state at the Large Hadron Collider with the ATLAS detector. The pp collision data used were collected during 2015 and 2016 runs with a center-of-mass energy of 13 TeV. The total corresponding luminosity is ~37 fb-1.In this thesis, I show my contribution to the search of scalar particle. The studies of signal modeling for different mass and width hypothesis will be described in details. The estimation of selection efficiencies and statistical interpretations of results are performed.The data are consistent with the Standard Model background-only hypothesis. Limits on the production cross section times branching ratio to two photons of such resonances as a function of the resonance mass and width are presented.The Liquid Argon electromagnetic calorimeter plays a crucial role in the diphoton analysis. The excellent energy resolution allows to reconstruct objects with high precision. The contribution to operation of LAr calorimeter and its online software will be discussed.The calibration of the electron and photon energy measurements with the electromagnetic calorimeter is performed. The systematic uncertainties related to energy response are one of the largest contribution limiting the precision measurements of the Standard Model Higgs boson mass. The approach to improve the energy response taking into account lateral shower shape development is applied in the calibration procedure.

The Large Hadron Collider (LHC) has provided, and will continue to provide, data for collisions at the highest energies ever seen in a particle accelerator. A strong knowledge of the properties of amplitudes for Quantum Chromodynamics in the High Energy Limit is therefore important to interpret this data. We study this limit in the context of the High Energy Jets (HEJ) formalism. This formalism resums terms in the perturbative expansion of the cross-section that behave like αn/s log (s/-t)ⁿ¯¹, which are enhanced in this limit. Understanding this region is particularly important in certain key analyses at the LHC: for example, Higgs-boson- plus-dijet analyses where cuts are applied to pick out events with a large mjj and in many searches for new physics. In this thesis, we discuss two directions in which HEJ's accuracy has been improved. Firstly, we look at adding descriptions of partonic subprocesses which are formally sub-leading in the jet cross-section but Leading Logarithmic (LL) in the particular subprocess itself. This required the derivation of new effective vertices that describe the emission of a quark/anti-quark pair in a way that is consistent with the resummation procedure. The inclusion of such processes reduces HEJ's dependence on fixed-order calculations and marks an important step towards full Next-to-Leading Logarithmic (NLL) accuracy in the inclusive dijet cross-section. The second extension was to improve our description of events involving the emission of a Higgs boson along with jets. Specifically, we derive new effective vertices which keep the full dependence on the quark mass that appears in the loops that naturally arise in such amplitudes. The formalism is also simple enough to allow for any number of extra nal state jets in the process. Therefore, HEJ is unique in its ability to provide predictions for high-multiplicity Higgs-plus-jets processes with full nite quark mass e ects. Such a calculation is far beyond the reach of any xed order approach.

Deux problèmes majeurs requièrent une extension du Modèle Standard (MS) : le problème de hiérarchie dans le secteur de Higgs, et la matière noire de notre Univers. La découverte d'un boson de Higgs avec une masse d'environ 125 GeV est clairement l'événement majeur en provenance du Large Hadron Collider (LHC) du CERN. Cela représente le triomphe définitif du MS, mais cela met également en lumière le problème de hiérarchie et ouvre de nouvelles voies pour sonder la nouvelle physique. Les différentes mesures effectuées pendant le run I du LHC contraignent les couplages du Higgs aux particules du MS ainsi que les désintégrations invisibles et non-détectées. Dans cette thèse, l'impact des résultats sur le boson de Higgs au LHC est étudié dans le cadre de différents modèles de nouvelle physique, en prenant soigneusement en compte les incertitudes et leurs corrélations. Des modifications génériques à la force des couplages du Higgs (pouvant provenir de secteurs de Higgs étendus ou d'opérateurs de dimension supérieure) sont étudiées. De plus, des modèles de nouvelle physique spécifiques sont testés, notamment, mais pas seulement, le Modèle Standard Supersymétrique Minimal phénoménologique.Alors qu'un boson de Higgs a été trouvé, il n'y a toutefois nulle trace de physique au-delà du MS au run I du LHC en dépit du grand nombre de recherches effectuées par les collaborations ATLAS et CMS. Les conséquences des résultats négatifs obtenus lors de ces recherches constituent un autre volet important de cette thèse. Tout d'abord, des modèles supersymétriques avec un candidat à la matière noire sont étudiés à la lumière des résultats négatifs dans les recherches de supersymétrie au LHC, en utilisant une approche basée sur les "modèles simplifiés". Ensuite, des outils pour contraindre un modèle de nouvelle physique quelconque à partir des résultats du LHC et d'événements simulés sont présentés. De plus, au cours de cette thèse, les critères de sélection de plusieurs analyses au-delà du MS ont été réimplémentés dans le cadre de MadAnalysis 5 et ont été intégrés à une base de données publique. / Two major problems call for an extension of the Standard Model (SM): the hierarchy problem in the Higgs sector and the dark matter in the Universe. The discovery of a Higgs boson with mass of about 125 GeV was clearly the most significant piece of news from CERN's Large Hadron Collider (LHC). In addition to representing the ultimate triumph of the SM, it shed new light on the hierarchy problem and opened up new ways of probing new physics. The various measurements performed at Run I of the LHC constrain the Higgs couplings to SM particles as well as invisible and undetected decays. In this thesis, the impact of the LHC Higgs results on various new physics scenarios is assessed, carefully taking into account uncertainties and correlations between them. Generic modifications of the Higgs coupling strengths, possibly arising from extended Higgs sectors or higher-dimensional operators, are considered. Furthermore, specific new physics models are tested. This includes, in particular, the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model.While a Higgs boson has been found, no sign of beyond the SM physics was observed at Run I of the LHC in spite of the large number of searches performed by the ATLAS and CMS collaborations. The implications of the negative results obtained in these searches constitute another important part of this thesis. First, supersymmetric models with a dark matter candidate are investigated in light of the negative searches for supersymmetry at the LHC using a so-called "simplified model" approach. Second, tools using simulated events to constrain any new physics scenario from the LHC results are presented. Moreover, during this thesis the selection criteria of several beyond the SM analyses have been reimplemented in the MadAnalysis 5 framework and made available in a public database.

Cette thèse présente la recherche d'un boson de Higgs chargé (H+) qui serait produit dans les collisions proton-proton à des énergies de 7 TeV$ et 8 TeV, en utilisant les données recueillies par l'expérience ATLAS au LHC (Large Hadron Collider). Plusieurs canaux de recherche sont utilisés, présentant la caractéristique commune de contenir au moins un lepton chargé (électron ou muon) énergétique, ce qui réduit efficacement le bruit de fond contenant des jets, tout en permettant un déclenchement efficace du détecteur.Ici le boson de Higgs chargé se désintègre en un lepton tau et un neutrino, ce qui conduit à des états finaux avec deux leptons chargés, ou bien un lepton chargé et un tau hadronique. Une source importante de taus mal identifiés provient de quarks et de gluons, par l'intermédiaire des jets hadroniques qu'ils initient. Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer ce bruit de fond, l'une d'elles étant basée directement sur les données. Des processus avec des bosons de Higgs chargés dont la masse est soit en dessous soit au-dessus de celle du quark top sont considérés. Avec l'ensemble de données recueillies à une énergie de 8 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 20,3/fb, des limites avec un taux de confiance de 95% sont placées sur le rapport de branchement Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) entre 1,1 et 0,3% pour des masses du boson de Higgs chargé entre 80 GeV et 160 GeV, et sur la section efficace de production du boson de Higgs chargé en association avec un quark top entre 0,53 et 0,04 pb, pour un boson de Higgs chargé ayant cette fois une masse comprise entre 180 GeV et 1 TeV. / This thesis presents searches for a charged Higgs boson (H+) in proton-proton collisions with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, using data collected by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Multiple search channels are used with a common characteristic of at least one charged lepton (electron or muon) that effectively reduces the multi-jet background and is used for efficient triggering.Charged Higgs bosons decaying to a tau lepton and a neutrino are searched for using final states with two charged leptons or one charged lepton and a hadronically decaying tau. A significant background originates from quark- and gluon-initiated jets that may be misidentified as hadronic tau decays. Methods to estimate this background are developed, including a largely data-driven matrix method. Signal processes with a charged Higgs boson mass below or above that of the top quark are considered. With the dataset collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3/fb, upper limits at 95% confidence level are placed on the branching fraction Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) in the range 1.1-0.3% for charged Higgs boson masses between 80 GeV and 160 GeV, and on the top-quark associated charged Higgs boson production cross section in the range 0.53-0.04 pb for charged Higgs boson masses between 180 GeV and 1 TeV.

En 2012, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d’un nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs prévu par le modèle standard. Cette particule a été postulée dans les années 1960. Elle explique comment les particules fondamentales obtiennent leurmasse. Cependant, la plupart des modèles allant au-delà du modèle standard prédisent l'existence de bosons de Higgs chargés. Les propriétés de telles particules, par exemple sa masse et son couplage aux autres particules, ne sont pas précisément prédites par la théorie, mais constituent un espace deparamètres qui doit être exploré. Des recherches de bosons de Higgs chargés ont été effectuée avant le LHC, cependant l'extension en énergie réalisée par le LHC a permis d'explorer un domaine plus large en masse. Dans ce travail nous avons cherché un boson chargé de Higgs se décomposant en une paire de quarks t et b. Aucun écart par rapport au modèle standard n'a été observé dans les données recueillies jusqu’en 2016, nous pouvons en déduire deslimites supérieures sur le taux de production d’un boson chargé de Higgs.Ces limites peuvent alors être utilisées pour exclure des parties de l’espacedes paramètres.Le LHC sera mis à niveau vers 2025 pour augmenter sa luminosité (le nombre de collisions par seconde et par cm2). Les protons sont accélérés par paquets. Ainsi, la luminosité peut être augmentée en injectant plus de protons par paquet, mais aussi en focalisant les paquets (réduisant leur taille transverse) au point de collision. Cela signifie que le taux auquel nouspouvons espérer produire des événements rares augmentera, mais aussique le taux de bruit de fond correspondant à l'empilement (le nombre de collisionsmoles de protons par croisement) augmentera. Le taux de croisement de paquets au LHCest trop élevé pour pouvoir lire et stocker toutes les don-nées produites. Ainsi nous devons utiliser un système de déclenchement quisélectionne rapidement les événements intéressants à enregistrer. Le système de déclenchementactuel n'est pas adapté au taux élevé d’empilement attendu pour la phase à hauteluminosité (HL) du LHC. Il doit donc être améliorée.Une façon de le faire est d'utiliser les informations du détecteur internequi fournit des informations sur les trajectoires de particules chargées.En utilisant des algorithmes qui peuvent être mis en œuvre dans l'électronique,un déclenchement de premier niveau sur les traces peut être rendu assez rapide pour fonctionnerdans la courte latence requise au HL-LHC. Le détecteur interne fournitdes points d’espace, des mesures des trajectoires des particules à des intervalles différents où sont installés des pistes de silicium. La quantité dedonnées du trajectomètre est trop grande, aussi effectuer des calculs sur toutes les combinaisons de points spatiaux prendrait trop de temps. Par conséquent, undéclenchement interne de premier niveau doit pouvoir sélectionner un sous-ensemble de pointsspatiaux sur lesquels effectuer le calcul. Dans cette thèse, nous avons exploré l’idée d’utiliser les régions d'intérêt fournies par le système de déclenchement d’électrons et de muonspour sélectionner une partie du volume du détecteur interne, puis de sélectionner lespoints d’espace qui correspondent aux modèles attendus des traces à haute énergie. Il a été démontré que c’est une option viable pour réduire les taux de bruit de fond tout en gardant une efficacitéélevée pour les événements que nous voulons garder, même dansdes conditions élevées d’empilement. / In 2012 the ATLAS and CMS experiments announced the discoveryof a new particle, a Higgs boson. This particle was hypothesized in the1960’s and explains how fundamental particles get their mass. However, amodel with a single Higgs boson is still not able to explain the aforemen-tioned cosmological observations. An electrically charged Higgs boson isa feature of many suggested extensions of the current model, includingsupersymmetry. The properties of such a particle, e.g. its mass and howit interacts with other particles are not fixed by theory but forms a pa-rameter space in which we must look for it. Searches for charged Higgsbosons have been performed prior to the LHC, but with the new energyscale of the LHC, the experiments have been able to look for heavier par-ticles. In this work we searched for a charged Higgs boson decaying intothe heaviest two quarks, a top and bottom pair. No deviations from thestandard model were found in the data gathered up until 2016, and hencewe can set upper limits on the production rate of a charged Higgs boson.These limits can then be used to exclude parts of the parameter space.The LHC will be upgraded around 2025 to increase the luminosity,that is the intensity of the proton beams. Protons are not acceleratedone by one at the LHC but in bunches. The luminosity can be increasedby using more protons per bunch but also by squeezing the bunches to besmaller at the point of collision. This means that the rate at which we canhope to produce rare events will increase but also that the backgroundrates and so called pile-up, the number of proton collisions per bunchcrossing, will increase. The rate of bunch crossings at the LHC is muchtoo high for ATLAS to be able to readout and store all data for eachevent, instead we use triggers that select events which look interesting.The current triggers are not suited for the high rates and pile-up of theHigh Luminosity (HL) LHC after the upgrade and must thus be improved.A way to do this is to use the information from the tracking detector thatprovides information on the trajectories of charged particles. By usingalgorithms that can be implemented in hardware a track trigger can bemade fast enough to work within the short latency required at the HL-LHC. The tracking detector provides space points, measurements of theparticle trajectories at different intervals, to which a track can be fitted.The amount of data from the tracker is very large, and performing trackfits on all the combinations of the space point would take too much time.Therefore a track trigger must be able to select a subset of space points onwhich to perform the track fit. For this thesis we have explored the idea ofusing standalone electron and muon triggers to select a part of the trackervolume, and then select space points that match precomputed patternsthat correspond to high energy particles. It has been shown that this isa viable option to reduce background rates while keeping high efficiencyfor the events we want to keep, even in high pile-up conditions.

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.