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%.

Die Arbeit beschreibt die Messung des Wirkungsquerschnittes für die Produktion von Jets in Ereignissen mit Z-Bosonen in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV mit einer integrierten Luminosität von ∫Ldt = 36 pb−1 und ∫Ldt = 4.6 fb−1 aufgenommen mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider in Genf. Die inklusiven und differenziellen Wirkungsquerschnitte für Z (→ e+ e−) + jets werden für Jets mit einem Transversalimpuls von pT(jet) > 30 GeV und einer Rapidität von |y(jet)| < 4.4 gemessen. Die Datensätze erlauben Messungen in vorher nicht zugänglichen Phasenraumregionen und können genutzt werden, um die Modellierungen von Z/γ∗ + jets in typischen Phasenraumregionen, die vom Zerfall des Higgs Bosons oder Suchen nach neuer Physik erwarten werden, zu testen. Die Ergebnisse werden auf Partonlevel entfaltet und mit Vorhersagen verschiedener Monte-Carlo Generatoren und Vorhersagen der perturbativen QCD in nächst-führender Ordnung verglichen.

Le détecteur ATLAS est un expérience généraliste placé auprès du collisionneur proton-proton circulaire de 27 Km de circonférence, LHC. Le LHC est conçu pour produire des collisions avec une énergie nominale au centre de masse de l'ordre de 14 TeV et une luminosité instantané de 1034cm-2s-1.Il donne accès à des processus à l'échelle du TeV. En 2010 et 2011 le LHC a fournit des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV donnant la possibilité d'enregistrer plus de 5 fb-1 de données. En 2012 le LHC a ensuite fournit des collisions avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. La présente thèse traite de la mesure de la section efficace de production des paires de quarks top anti-top dans le mode de désintégration complètement hadronique utilisant les données enregistrées par l'expérience ATLAS en 2011 avec une énergie dans le centre de masse de 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 4.7 fb-1. Le canal complètement hadronique a l'avantage d'être caractérisé par un rapport d'embranchement de 46%. Il souffre par contre d'un bruit de fond multi-jet QCD élevé. Le principal bruit de fond pour la production des paires des quark top-antitop est dû aux processus QCD avec au mois six de quarks/gluons dans l'état final. Ce bruit de fond n'est malheureusement pas bien connu et donc difficile à reproduire par simulation Monté-Carlo. Il est estimé à partir des données. La section efficace ainsi mesuré est 168±12 (stat.) +60/-57(syst.) ± 7 (lum.) pb. La deuxième analyse présentée dans la cette thèse se focalise sur la recherche du boson du Higgs produit en association avec une paire de quark top, où le boson de Higgs se désintégré en paires de quarks b, et le système top-anti-top se désintégrant dans le canal complètement hadronique. L'analyse est effectuée sur les mémés données utilisées par la mesure de la section efficace top-anti top. Deux bruits de fond principaux peuvent être distingués: la production des paires de quarks top avec la présence des jets supplémentaires et la production QCD. Le premier bruit de fond est estimé en utilisant le modelé Monté-Carlo différenciant la production de jets légers des jets lourds. Le deuxième bruit de fond est estimé avec les données. Le but de cette étude est de montrer le potentiel du canal complètement hadronique en regardant le signal sur la racine du bruit du fond dans les régions de signal et en faisant une comparaison avec les résultats publics présentés par l'ATLAS dans le canal semileptonic.

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.

This document, prepared to obtain the "Habilitation à Diriger des Recherches", is a compendium of the photon-related analysis activities I carried on within ATLAS in the past four years and a half. The activities I will describe can be broadly classified into three categories: optimization and/or in situ measurement of photon-related performance, measurements of the cross sections of Standard Model processes producing prompt photons, and searches (leading to discovery!) of a Standard Model Higgs boson decaying to final states containing photons.

Cette thèse étudie les collisions pp à sqrt{s} = 8 TeV avec des paires de photons dans l'état final, telles que recueillies par l'expérience ATLAS au LHC au cours de 2012. L'état final avec diphoton s'est avéré cruciale pour la découverte du boson de Higgs. La motivation pour la recherche de résonances supplémentaires se désintégrant en deux photons est très forte en raison l'existence de nombreux modèles prévoyant un secteur de Higgs étendu. Dans le même temps, des mesures détaillées des sections efficaces diphoton sont nécessaires pour établir la précision des prédictions théoriques actuellement disponibles pour ces processus.La mesure des photons par ATLAS repose sur un excellent étalonnage de la réponse du calorimètre électromagnétique. Pour cette raison, les études liées à l'étalonnage de la réponse de photons dans le calorimètre Argon Liquide (LAr) sont initialement réalisées, y compris la mesure de l'étalonnage par rapport à l'échelle de l'énergie de la couche calorimètre utilisant des photons, et la nécessité éventuelle d'un inter-étalonnage de la réponse en énergie des photons en fonction de l'angle azimutal $phi$. Une étude de l'amplitude du bruit du calorimètre dans des conditions de pile-up élevés est également présentée, aboutissant à des recommandations pour les configurations d'échantillonnage d'impulsion LAr au Run2.La recherche d'une résonance supplémentaire se désintégrant en deux photons est effectuée et aucun signal n'est observé: une limite est mise sur la section efficace fiducielle d'une résonance multipliée par son rapport de branchement de désintégration en diphoton. La mesure de la section efficace de production de diphoton isolés en association avec des jets est effectuée en fonction de la masse invariante de diphoton, l'impulsion transverse du système diphoton, la différence d'angles dans le plan azimutal de l'angle entre les deux photons et l'angle theta de coplanarité, en fonction de la multiplicité en jets et de différentes variables associés aux jets. Les résultats sont comparés aux dernières prévisions QCD Next-To-Leading-Order QCD. Une telle mesure est la première du genre effectuée au LHC. / This thesis studies pp collisions at sqrt{s}=8 TeV with pairs of photons in the final state, as collected by the ATLAS experiment at the LHC during 2012. The diphoton final state has proven to be crucial to the discovery of the Higgs boson. The motivation for searching for additional resonances decaying into two photons is very strong due to many models predicting an extended Higgs sector. At the same time, detailed measurements of diphoton cross sections are necessary to establish the quality of the theoretical predictions currently available for these processes.The measurement of photons by ATLAS relies on an excellent calibration of the electromagnetic calorimeter response. For this reason, studies related to the calibration of the photon response in the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter are initially performed, including a measurement of the calorimeter layer energy scale relative calibration using photons, and the potential need of an inter-calibration of the photon energy response as a function of the azimuthal angle $phi$. A study of noise performance of the calorimeter in high pile-up conditions is also presented, resulting in recommendations for the LAr pulse sampling configurations for Run2.A search for an additional resonance decaying into two photons is performed, leading to no significant excess being observed. A limit on the fiducial cross section times branching fraction of a new resonance decaying into two photons is therefore computed. The measurement of the production cross section of isolated prompt diphoton in association with jets is performed as a function of the diphoton invariant mass, the transverse momentum of the diphoton system, the azimuthal angle difference of the two photons and the coplanarity angle theta, for jet multiplicity categories and as a function of various jet variables. The results are compared to the latest Next-To-Leading-Order QCD predictions. Such a measurement has not been previously published at the LHC.

La découverte d'une particule cohérent avec la production d'un boson de Higgs du Modèle Standard (MS) en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS a ouverte de nouvelles possibilités de recherche de physique au-delà du MS (BSM). Les recherches de matière noire en ATLAS se concentrent sur des modèles générales, appelées mono-X, qui prédisent la production d'un seul objet X (jet, photon ou des bosons W ou Z) en association à des particules de matière noire (DM). La production de ces états finaux dépend du couplage entre les objets radiés et les particules en collision. Ce fait encourage la recherche des signaux mono-Higgs car le boson de Higgs ne se couple pas directement avec des gluons et ses couplages avec les quarks légères sont très faibles. Par conséquent, le Modèle Standard ne prédit pas une grande contribution à ces états finaux, donc toute déviation observée des prédictions du MS permettrait d'étudier directement le couplage du boson de Higgs à des nouveaux secteurs BSM. Lors de cette thèse, une recherche a été menée sur la production des particules de matière noire en association à un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. En ayant pour but d'augmenter la sensibilité de l'expérience à une possible découverte, des études sur l'effet de diaphonie ont été menées afin d'améliorer l'identification de photons dans ATLAS. Par ailleurs, les particules de matière noire n'interagissent pas avec le détecteur, ce qui impose des signatures avec une grande énergie transverse manquante. Des études sur la performance de la reconstruction de cette énergie transverse manquante ont été mises en place pour des topologies contenant un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. / The discovery of a particle consistent with a Standard Model (SM) Higgs boson in 2012 by the ATLAS and CMS collaborations has opened up new possibilities in searches for physics beyond the SM (BSM). Searches for dark matter in ATLAS focus on a special case of general models called, mono-X, that predict a single object X (jet, photon, W or Z bosons) produced in association to dark matter (DM) particles. The production of these final states depend on the coupling between the radiated object and the colliding particles. This fact motivates the search of mono-Higgs signals since Higgs does not couple to gluons and its couplings to light quarks are very weak. Then, the Standard Model does not predict a large contribution to these mono-Higgs final states, thus any deviation from SM predictions is a direct probe of a coupling between the Higgs and a new BSM sector. A search of DM particles produced in association to a Higgs boson decaying into two photons has been carried out in this thesis. Aiming to increase the significance of discovery in this channel, studies on the cross-talk effect has been performed to improve photon identification in ATLAS. Besides, DM particles are not expected to interact within the detector fiducial volume, thus predicted signatures include a large missing transverse momentum. Performance studies of the reconstruction of this missing momentum has been put in place in topologies containing a Higgs boson decaying into two photons.

L'avènement du LHC marque le début d'une ère de haute précision en physique des particules. Dans cette thèse de doctorat, nous abordons avec des outils innovants deux processus clés des collisionneurs de hadrons: la production inclusive de jets, et la production du boson de Higgs par fusion de bosons vecteurs (VBF). Dans la première partie de cette thèse, nous montrons comment resommer les premiers ordres logarithmiques de rayon de jet R, et appliquons ce formalisme à une étude approfondie du spectre inclusif des jets. Nous étudions les termes dépendant de R au troisième ordre non-nul (next-to-next-to-leading-order, NNLO), et les intégrons dans notre calcul. Nous examinons les éliminations dans la dépendance d'échelle, conduisant à une nouvelle prescription pour l'évaluation des incertitudes, et vérifions l'impact d'effets non-perturbatifs. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étudions les corrections de chromodynamique quantique dans la production de Higgs par VBF. En utilisant l'approche des fonctions de structure, nous calculons les corrections de quatrième ordre non-nul (NNNLO) à la section efficace inclusive. Nous calculons ensuite les corrections NNLO entièrement différentielles à la production de Higgs par VBF. Nous montrons que ces contributions sont significatives après coupures VBF, se trouvant en dehors des bandes d'incertitude d'échelle NLO. / With the advent of the LHC, particle physics has entered an era where high precision is required. In this thesis, we tackle two of the key processes at hadron colliders using innovative tools: inclusive jet production and Higgs production through vector-boson fusion (VBF). In the first part of this thesis, we show how to resum leading logarithmic terms of the jet radius R, and apply this formalism to a detailed study of the inclusive jet spectrum. We study subleading R-dependent terms at next-to-next-to-leading order (NNLO), and incorporate them into our calculation. We investigate cancellations in the scale dependence, leading to new prescriptions for evaluating uncertainties, and examine the impact of non-perturbative effects. In the second part of the thesis, we study QCD corrections in VBF-induced Higgs production. Using the structure function approach, we compute the next-to-next-to-next-to-leading order (NNNLO) corrections to the inclusive cross section. We then calculate the fully differential NNLO corrections to VBF Higgs production. We show that these contributions are substantial after VBF cuts, lying outside the NLO scale uncertainty bands.

Avec la découverte en juillet 2012 par les collaborations CMS et ATLAS d'un nouveau scalaire, aux propriétés similaires à celles d'un boson prédit plus de 50 ans auparavant, la phénoménologie au-delà du modèle standard (SM) a fait un grand pas. En effet, la découverte de cette pièce manquante du puzzle électrofaible a rendu certains modèles impossibles, tout en renforçant la crédibilité du SM. Cependant, on sait que le SM n'est pas le mot de la fin, car certaines de ses prédictions ne s'accordent pas avec les expériences, et ce boson est donc vu comme une porte vers de nouveaux secteurs de la physique. Après une introduction au SM et aux statistiques de la physique des particules, nous présenterons un paramétrage des couplages mesurés au LHC, afin de contraindre, via ces couplages, des modèles de physique au-delà du SM, plus fondamentaux. Ce paramétrage, s'intéressant particulièrement aux couplages à boucles, permettrait de lever une corrélation existant entre les paramètres actuellement utilisés. Nous étudierons ensuite la possibilité d'existence d'un scalaire, plus léger que celui observé, et ayant échappé aux recherches passées, et de sa recherche au LHC à l'aide de ce paramétrage. Nous donnerons des exemples de paramètres faisant apparaître un tel scalaire, dans le 2HDM et le NMSSM. Enfin, nous verrons que le scalaire peut influencer la production d'une paire de bosons de jauge faible, et qu'à l'aide de notre paramétrage, l'analyse de ce processus peut être utilisée de manière cohérente avec les mesures au pic de masse pour contraindre ces couplages. Nous finirons avec quelques limites de cette approche, ainsi que des propositions d'améliorations / With the discovery of a new particle in July 2012 by the CMS and ATLAS experiments, with properties resembling those of a boson predicted about 50 years earlier by theorists, the search for physics outside of the standard model of particle physics (SM) has made a big step. Indeed, the existence of this piece of the electroweak symmetry breaking proved wrong many theories, while giving more credit to the SM. However, because of some observations it fails to match, we know the SM cannot be the final word, and it is hoped that the study of this new particle will be a path to new sectors of physics. After a brief description of the SM and of the statistics of particle physics, we will present a way to parametrise the couplings measured at CERN, in order to constrain, through these couplings, more fundamental models describing physics beyond the standard model. This parametrisation, focusing on loop-induced couplings, would allow to lift a correlation existing between parameters currently used by experimentalists. We will then study the feasibility of a search for another scalar, lighter than the one discovered and which would have escaped previous searches, through the use of the same parametrisation. In two models, the 2HDM and the NSSSM, values of parameters yet unconstrained are shown.Finally, we will see that this scalar can also influence the joint production of two weak gauge bosons. We will show that the analysis of this process can be used in a coherent manner with on-shell Higgs measurements to constrain its couplings through our parametrisation. We will then end with a brief look at some limitation of this approach, before suggesting ways to overcome them

Une recherche de résonance neutre et lourde X est effectuée dans le canal X→WW→eνμν en utilisant les données en collision pp correspondant à une luminosité intégrée d'environ 36,1 fb⁻¹, prises à une énergie dans le centre-de-masse de 13 TeV par le détecteur ATLAS au LHC. La résonance peut être soit un boson de Higgs scalaire lourd soit d'autres résonances lourdes aux spins différents. Deux scénarios de largeur sont étudiés pour un boson de Higgs lourd dans les modes de fusion gluon-gluon et de fusion vecteur-boson; une largeur soit étroite soit grande. Plusieurs hypothèses sont utilisées pour rechercher d'autres résonances, comme le modèle avec deux doublets de Higgs, le modèle de Georgi-Machacek, le modèle avec un triplet vectoriel en mode d'annihilation quark-antiquark, le modèle de Randall-Sundrum avec un graviton de spin 2 correspondant à un paramètre d'échelle de courbure de 1 ou 0,5 et un signal de spin 2 dans le mode de fusion vecteur-boson. Trois catégories d'événements indépendantes sont définies dans l'analyse : une catégorie inclusive où les espaces de phase en fusion vecteur boson sont exclus et deux autres catégories qui sont optimisées pour les signaux produits en mode de fusion vecteur-boson avec un jet ou au moins deux jets. Aucun excès significatif d'événements au-delà de la prédiction du bruit de fond du Modèle Standard ne se trouve dans la gamme de masse comprise entre 200 GeV et 5 TeV. Les limites supérieures sont obtenues sur le produit de la section efficace de la production de la résonance et du rapport de branchement X→WW. Pour les signaux de bosons de Higgs lourds, les valeurs supérieures à 6,4 pb et 1,3 pb à mH = 200 GeV et supérieures à 0,008 pb et 0,005 pb à 4 TeV sont exclues à un niveau de confiance de 95% pour la fusion gluon-gluon et la fusion vecteur-boson, respectivement. Pour les signaux prédits par le modèle avec un triplet vectoriel, les valeurs de masse inférieures à 1,3 TeV sont exclues. De la même manière, pour les signaux prédits par le modèle de Randall­ Sundrum, les valeurs de masse inférieures à 1,1 TeV et 850 GeV sont exclues pour le paramètre d'échelle de courbure de 1 et 0.5, respectivement. / A search for a heavy neutral resonance X is performed in the X→WW→eνμν decay channel using pp collision data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The resonance can be either a heavy scalar Higgs boson or other heavy resonances with different spins. Two scenarios are considered for the heavy Higgs boson hypotheses with different decay widths in both the gluon-gluon fusion and the vector­ boson fusion production modes, namely a narrow-width approximation and a large width assumption. Several hypotheses are used for the interpretation to search for other resonances, like two Higgs doublet models, Georgi-Machacek model, heavy vector triplet model in the quark-antiquark annihilation mode, a bulk Randall-Sundrum graviton model with a spin-2 Graviton with a curvature scale parameter of either 1 or 0.5 and a spin-2 signal in the vector-boson fusion mode. Three orthogonal event categories are defined in the analysis: two vector-boson fusion categories which are optimised for the signals produced in the vector-boson fusion mode with one jet or at least two jets and one quasi-inclusive gluon-gluon fusion category where the vector boson fusion phase spaces defined by the two vector-boson fusion categories are excluded. No significant excess of events beyond the Standard Model background prediction is found in the mass range between 200 GeV and up to 5 TeV. Upper limits are set on the product of the production cross section of the resonance and the X→WW branching fraction. For heavy Higgs boson signals, values above 6.4 pb and 1.3 pb at 200 GeV and above 0.008 pb and 0.005 pb at 4 TeV are excluded at 95% confidence level for the gluon-gluon fusion and the vector-boson fusion production modes, respectively. For signals predicted by the heavy vector triplet model, mass values below 1.3 TeV are excluded. Similarly, for signals predicted by the bulk Randall-Sundrum graviton model, mass values below 1.1 TeV and 850 GeV are excluded for the curvature scale parameter of 1 and 0.5, respectively.