Cette thèse se situe à mi-chemin entre la phénoménologie et la physique de particules expérimentale. Dans la première partie, nous décrivons un calcul de section efficace à order supérieur en développement perturbatif, ainsi que son implementation dans un générateur d'événements Monte Carlo. Nous présentons les corrections au premier order en chromodynamique quantique pour la production de boson de Higgs chargé en association avec un quark top au LHC, en utilisant le formalisme de soustraction de Catani et Seymour. Notre code indépendant nous a permis de valider les résultats donnés par MC@NLO, et nous avons réalisé des études concernant diverses contributions aux erreurs systématiques dues à la simulation d'événements. L'implémention du processus a été réalisée pour le générateur POWHEG. En raison de la quantité de données insuffisante disponible fin 2010 (le détecteur ATLAS a accumulé 35 pb-1 de données de collisions proton-proton), le processus de production de Higgs chargé n'a pas pu être étudié et nous nous sommes tournés vers la caractérisation de bruits de fonds. Dans ce contexte, il s'avère que la production de boson W en association avec un quark top est importante à connaître. Dans la seconde partie de cette thèse, nous mettons en place une analyse spécifique au canal Wt semileptonique, en incluant les effets statistiques et systématiques, pour lesquels nous nous concentrons plus particulièrement sur l'effet dû aux différentes paramétrisations du contenu des protons. Le processus Wt étant inobservable au Tévatron, nous pouvons pour la première fois donner une limite à la setion efficace de production. / This thesis is intended as a bridge between the two highly specialised domains of phenomenology and experimental particle physics. The first part describes in detail a higher order cross section calculation and implementation into a Monte Carlo event generator. We present the calculation of the next-to-leading order (NLO) quantum chromodynamic corrections for charged Higgs boson production in association with a top quark at the LHC, using the Catani-Seymour dipole subtraction method. Building an independent NLO code enabled us to cross-check the implemented version of MC@NLO, and a few studies have been made which focus on different contributions to the theoretical uncertainty attached to the NLO calculation. The actual implementation was performed for another NLO event generator, POWHEG. Considering the small production cross section of charged Higgs production associated with a top quark, an analysis of this channel using the 35 pb-1 of data collected with the ATLAS detector in 2010 from the proton-proton collisions of the LHC, makes no sense, and we switch to a very similar SM channel, namely Wt production. In the second part, we set-up a dedicated analysis for semileptonic Wt and focus on the evaluation of the PDF systematic uncertainty, following the PDF4LHC recommendation. The electroweak single top production cross section at the Tevatron is so low that it hasn't been observed until today, so we are able to set the world's first limit on its production cross section and include the most important systematic uncertainties in our analysis.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’expérience ATLAS, l’une des quatre grandes expériences auprès du collisionneur LHC. Il fut principalement dédié à la recherche de nouveaux bosons de jauge lourds chargés, appelé W' et prédits par de nombreuses extensions du Modèle Standard de la physique des particules. Ce manuscrit présente une recherche du boson W' se désintégrant en un quark top et un quark beau à travers une approche de couplage effectif, dans des états finals de désintégrations leptoniques du quark top. Cette recherche fut réalisée avec 20.3 fb−1 de données de collision proton-proton, produits par le LHC à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV et collectées par le détecteur ATLAS en 2012. Plusieurs scénarios d’études sont envisagés où le boson W' se couple soit à des fermions de chiralité gauche (W'L) soit de chiralité droite (W'R). Une technique d’analyse multivariée utilisant des arbres de décision boostés (BDT) est utilisée afin de mettre évidence un excès de processus de signal dans les données enregistrées. Aucun excès n’est observé au-delà des incertitudes expérimentales pour la statistique de données analysées jusque-là. Une analyse statistique est réalisée afin d’extraire des limites d’exclusion sur la masse et la section efficace de production de la particule. Des masses inférieures à 1.92, 1.80 et 1.70 TeV furent exclues respectivement pour des bosons W'R et W'L, en tenant compte ou non d’effets d’interférence. Les limites d’exclusion sur les sections efficaces de production sont réinterprétées en matière de limite d’exclusion sur le couplage effectif g'/g de la particule. Les limites d’exclusion les plus basses observées sur le rapport g'/g, respectivement de 0.20 et 0.16 pour les recherches de bosons W'R et W'L, furent obtenues pour une masse de boson W'R/L de 0.75 TeV. Une recherche de bosons de Higgs chargés se désintégrant en un quark top et un quark beau est également présentée dans ce manuscrit. Cette dernière repose sur une approche de couplage effectif décrivant un modèle à deux doublets de Higgs de type II. Cette analyse réutilise l’infrastructure développée pour la recherche du boson W' est complétée d’études phénoménologiques liées au calcul de la section efficace de ce processus ainsi que sur la caractérisation des effets de largeur de la résonance recherchée. Les premiers résultats obtenus sur la limite d’exclusion sur la section efficace de production pp → H+→ tb montrent toutefois que cette analyse ne semble pas être en mesure d’exclure un signal de boson H+ pour l’ensemble des scénarios théoriques considérés, compte tenu des faibles sections efficaces de production prédites. En parallèle de ces activités, des développements ont été réalisés pour la simulation rapide du système de calorimétrie FastCaloSim du détecteur ATLAS afin de pallier ses limitations. En particulier, un nouveau modèle de paramétrisation et de simulation rapide de la réponse en énergie du système de calorimétrie est présenté dans ce manuscrit. Ce modèle, toujours en développement, montre des résultats très encourageant pour la simulation d’événements à pion unique et permet de réduire considérablement l’empreinte mémoire de la paramétrisation en comparaison avec des versions précédentes de FastCaloSim, tout en permettant aux futures reparamétrisations d’être plus rapides et automatisées. / The research work carried out during this Ph.D thesis has been performed in the context of the ATLAS experiment, one of the four major LHC experiments, and was primarily dedicated to the search for a new chaged heavy gauge boson, called W' and predicted by many extensions of the Standard Model of particle physics. This manuscript presents a search for W' boson decaying into a top and a bottom quark through an effective coupling approach, in the lepton plus jets final states. This search is performed with 20.3 fb−1 of proton-proton collision data, produced by the LHC with a center-of-mass energy of 8 TeV and collected by the ATLAS detector in 2012. Several scenarios are considered where the W boson can couple to left-handed (W'L) or right-handed (W'R) fermions. A multivariate techniques based on boosted decision trees is used to search for an excess of W signal process in the recorded data. No excess is observed beyond the experimental uncertainties for the data analysed so far. A statistical analysis is performed in order to extract exclusion limits on the mass and the production cross section of the particle. Masses below 1.92, 1.80 and 1.70 TeV are excluded, respectively for W'R and W'L bosons taking into account or not interference effects. These exclusion limits on the production cross section are also reinterpreted in terms of exclusion limits on the effective coupling g'/g of the particle. The lowest exclusion limits observed on the ratio g'/g are equal to 0.20 and 0.16, respectively, for W'R and W'L searches, and are obtained for a W'R/L mass of 0.75 TeV. A search for charged Higgs boson decaying into a top and a bottom quark is presented in this manuscript. This search is based on an effective coupling approach describing a type II Two Doublet Higgs Model. It reuses the analysis infrastructure developed for the W' search and is completed by phenomenological studies related to the production cross section calculation for the process and the characterisation of the resonance width effects affecting the analysis. Preliminary results on the excluded cross section limits pp → H+→ tb show that the analysis is not able to exclude a signal a H+ boson for all theoretical scenarios considered, due to low production cross sections predicted. In parallel of these activities, several developments have been performed on the fast simulation of the ATLAS calorimeter system in order to overcome its limitations. In particular, a new parametrisation and fast simulation model for the energy response of the calorimeter is presented in this manuscript. This model, still under development, shows encouraging results for simulated single pion event and allows to reduce considerably the memory footprint of the parametrisation compared to previous versions of FastCaloSim, while enabling future reparametrisations to be faster and automated.