La masse du quark top est un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules. L'un des défis du programme de physique du LHC, où le quark top est produit en abondance, est la détermination précise de ce paramètre. Actuellement, il est mesuré via la reconstruction directe de tous les produits de désintégration du quark top. L'incertitude systématique sur la calibration en énergie des jets et sur l'étiquetage de quarks b limite grandement la précision de cette mesure et il est donc indispensable de développer des mesures alternatives. Une possibilité très prometteuse – jusque-là jamais exploitée – est l'étude de désintégrations de paires de quarks top, où l'un des deux quarks se désintègre dans le canal leptonique avec un J/psi créé lors de la fragmentation du quark b. La masse du quark top est extraite à travers sa corrélation à la masse invariante de la combinaison du J/psi et du lepton chargé. Cette méthode présente l'avantage de n'utiliser que des leptons chargés, dont l'énergie-impulsion est mesurée avec une grande précision dans le détecteur CMS / The top quark mass is a fundamental parameter of the Standard Model of Particle Physics. One of the challenges in the LHC physics case, where the top quark is produced in abundance, is the precise determination of this parameter. Currently, it is measured through the direct reconstruction of all the top quark decay products. The systematic uncertainty on the jet energy calibration and b tagging sensibly limits the precision on this measurement and it is thus vital to develop alternative measurements. A very promising possibility – never exploited until now – is the study of top pair decays, where one of the two quarks decays in the leptonic channel with a J/psi created in the b quark fragmentation. The top quark mass is extracted through its correlation to the invariant mass of the J/psi-charged lepton combination. This method presents the advantages of using charged leptons only, whose energy momentum is measured with great accuracy in the CMS detector

A measurement of the mass of the top quark is presented, using top-antitop pair (t-tbar) candidate events for the lepton+jets decay channel. The measurement makes use of Tevatron proton-antiproton collision data at centre-of-mass energy 1.96 TeV, collected at the CDF detector. The top quark mass is measured by employing an unbinned maximum likelihood method where the event probability density functions are calculated using signal (t-tbar) and background (W+jets) matrix elements, as well as a set of parameterised jet-to-parton mapping functions. The likelihood function is maximised with respect to the top quark mass, the fraction of signal events, and a correction to the jet energy scale (JES) of the calorimeter jets. The simultaneous measurement of the JES correction (ΔJES) provides an in situ jet energy calibration based on the known mass of the hadronically decaying W boson. Using 578 lepton+jets candidate events corresponding to 3.2 inverse femtobarns of integrated luminosity, the top quark mass is measured to be 172.4 ± 1.4(stat+ΔJES) ± 1.3(syst) GeV/c², one of the most precise single measurements to date.

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV. / The main goal of this thesis is to provide a measurement as accurate as possible of the top quark mass in the semi-leptonic decay channel. This experimental measurement is made thanks to the ATLAS detector near LHC, a proton-proton collider. The main interests for this precison measurement are the physics constraints to the theoretical models of fundamental constituents. Besides, the top quark mass is a parameter allowing to have more information on the vacuum stability at the Planck scale within the Standard Model. Jet energy calibration is crucial to this measurement. The impact of real data taking conditions on this calibration and on jet performance is detailed. The top quark mass measurement using 2011 data collected at an energy in the center-of-mass of 7 TeV is presented. It is using a tridimensional template analysis method. The measured top quark mass is: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. The 2012 data collected at an energy in the center-of-mass of 8 TeV are also analysed, and a preliminary result for the top quark mass is provided: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, the combination of both measurements being the most accurate result of this thesis: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

Hochenergiephysikanalysen zielen darauf ab, das Standardmodell—die gemeinhin akzeptierte Theorie—zu testen. Für überzeugende Schlüsse, sind Analysemethoden nötig, welche einen eindeutigen Vergleich zwischen Daten und Theorie ermöglichen und zuverlässige Abschätzung der Unsicherheiten erlauben. Die Matrixelement-Methode (MEM) ist eine Maximum-Likelihood-Methode, welche speziell auf Signalsuche und Parameterschätzung an Beschleunigern zugeschnitten ist. Die MEM hat sich durch optimale Nutzung vorhandener Information und sauberer statistischer Interpretation der Ergebnisse als vorteilhaft erwiesen. Sie hat jedoch einen großen Nachteil: In der Originalformulierung ist die Berechnung der Likelihood intrinsisch auf die erste störungstheoretische Ordnung in der Kopplung limitiert. Höhere Ordnungskorrekturen verbessern die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen und erlauben eindeutige feldtheoretische Interpretation der gewonnen Informationen. In dieser Arbeit wird erstmalig die MEM unter Einbezug der Korrekturen der nächstführenden Ordnung (NLO) der QCD-Kopplung durch Definition von Ereignisgewichten für die Berechnung der Likelihood präsentiert. Diese Gewichte ermöglichen auch die Erzeugung ungewichteter Ereignisse, welche dem in NLO-Genauigkeit berechneten Wirkungsquerschnitt folgen. Der Methode wird anhand von Top-Quark-Ereignissen veranschaulicht. Die Top-Quark-Masse wird aus den erzeugten Ereignissen mithilfe der MEM in NLO-Genauigkeit bestimmt. Die erhaltenen Schätzer stimmen mit den Eingabewerten aus der Ereigniserzeugung überein. Wiederholung der Massenbestimmung aus denselben Ereignissen, ohne NLO-Korrekturen in den Vorhersagen, führt zu verfälschten Schätzern. Diese Verschiebungen werden nicht durch abgeschätzte theoretische Unsicherheiten berücksichtigt, was die Abschätzung der theoretischen Unsicherheiten der Analyse in führender Ordnung unzuverlässig macht. Die Resultate unterstreichen die Wichtigkeit der Berücksichtigung von NLO-Korrekturen in der MEM. / Analyses in high energy physics aim to put the Standard Model—the commonly accepted theory—to test. For convincing conclusions, analysis methods are needed which offer an unambiguous comparison between data and theory while allowing reliable estimates of uncertainties. The Matrix Element Method (MEM) is a Maximum Likelihood method which is especially tailored for signal searches and parameter estimation at colliders. The MEM has proven to be beneficial due to optimal use of the available information and a clean statistical interpretation of the results. But it has a big drawback: In its original formulation, the likelihood calculation is intrinsically limited to the leading perturbative order in the coupling. Higher-order corrections improve the accuracy of theoretical predictions and allow for unambiguous field-theoretical interpretation of the extracted information. In this work, the MEM incorporating corrections of next-to-leading order (NLO) in QCD by defining event weights suited for the likelihood calculation is presented for the first time. These weights also enable the generation of unweighted events following the cross section calculated at NLO accuracy. The method is demonstrated for top-quark events. The top-quark mass is determined with the MEM at NLO accuracy from the generated events. The extracted estimators are in agreement with the input values from the event generation. Repeating the mass determinations from the same events, without NLO corrections in the predictions, results in biased estimators. These shifts may not be accounted for by estimated theoretical uncertainties rendering the estimation of the theoretical uncertainties unreliable in the leading-order analysis. The results emphasise the importance of the inclusion of NLO corrections into the MEM.