Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules synthétise les connaissances actuelles sur la physique subatomique et les interactions fondamentales connues (sauf la gravitation). Jusqu'à présent, aucun résultat expérimental ne contredit fortement les prédictions du MS. Cependant, il existe encore quelques questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse dans le MS. De nombreux modèles théoriques se proposant de décrire la physique au delà du MS ont été proposés dans les dernières décennies pour tenter de remédier à une ou plusieurs des lacunes du MS. Certaines de ces théories comme le modèle technicouleur, les modèles de couleurs chiraux et les modèles de Randall-Sundrum avec des dimensions supplémentaires prédisent de nouvelles particules qui se couplent fortement au quark top, en raison de sa masse élevée. Ce couplage implique une désintégration préférentielle en une paire de quarks top, t tbar. Pour pouvoir tester ces nouvelles théories, des accélérateurs capables d'atteindre des énergies de l'ordre du TeV sont nécessaires, de même que des détecteurs adaptés pour analyser les événements recueillis. Ainsi, plusieurs recherches de résonances top-antitop ont été réalisées auprès des collisionneurs hadroniques très puissants comme Tevatron et le grand collisionneur de hadrons (LHC: acronyme de Large Hadron Collider). Les modèles de référence considérés dans ces recherches sont le modèle topcolor assisted technicolor qui conduit à la production d'un boson neutre Z' et le modèle de Randall-Sundrum avec une dimension supplémentaire qui conduit à la production d'un gluon Kaluza-Klein qui se désintégre aussi en une paire t tbar. Le modèle topcolor assisted technicolor explique la masse élevée du quark top et la brisure de symétrie électrofaible par condensation du quark top associé à la brisure de symétrie d'une nouvelle force forte. Le modèle de Randall-Sundrum explique le problème de hiérarchie en prenant en compte une dimension supplémentaire enroulée sur elle-même et dans laquelle la gravité va se propager. Les expériences CDF et DØ ont exclu à 95% de C.L. une masse de Z' inférieure à 900 GeV. Au LHC, la meilleures limites sur les masses du boson Z'et du gluon de Kaluza Klein ont été obtenues par l'expérience CMS en utilisant les données collectées en 2011, 500 < mZ' < 1300 GeV et 1000 < mgKK < 1400 GeV, respectivement.

(...) Le travail de recherche exposé dans cette thèse a été réalisé en utilisant les données collectées par le détecteur ATLAS auprès du LHC. Le LHC est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant jamais construit. Il est constitué d'un double anneau de stockage de protons. Environ 10000 physiciens et ingénieurs du monde entier participent à cette expérience en développant de nouvelles techniques et approches pour identifier les événements intéressants cachés dans l'environnement complexe produit dans des collisions proton-proton. Les premières collisions proton-proton ont eu lieu à la fin de l'année 2009 à une énergie de 900~GeV dans le système du centre de masse. Le 19 Mars 2010, le LHC a battu un record en augmentant l'énergie des faisceaux à 3.5 TeV, et les premières collisions à 7 TeV ont été enregistrées le 30 Mars 2010. L'énergie par faisceau pour l'ensemble de 2011 était de 3.5 TeV, et 4 TeV en 2012. Un an d'arrêt technique est prévu en 2013 avant de parvenir à l'énergie nominale de collision de 14 TeV. Quatre expériences se partagent les quatre points de croisement des faisceaux du grand anneau du LHC. Une d'entre elles, ATLAS, est un détecteur généraliste avec un vaste programme de physique. ATLAS est constitué d'un détecteur interne de traces dans un champ magnétique de 2 T, offrant une couverture jusqu'à |η|<2.5, un système calorimétrique allant jusqu'à |η|<4.9, un spectromètre à muons dans un champ magnétique toroïdal et un système de déclenchement composé de trois niveaux. Tous les sous-systèmes ont d'excellentes performances en termes d'efficacité et de résolution. Cette thèse comprend trois travaux interconnectés. En premier lieu, elle décrit les résultats de la recherche de nouvelles résonances qui se désintègrent en paires tt en utilisant les premiers 2.05 fb-1 de données collectées par le détecteur ATLAS en 2011. Dans une deuxième partie, en connection avec cette recherche, des études de performance de Jet Vertex Fraction (JVF) en utilisant des événements tt sont également présentées. JVF est une variable qui peut être utilisée pour réduire les effets d'empilement afin d'améliorer la précision et la sensibilité des analyses de physique à haute luminosité. Finalement, les performances de la calibration Globale Séquentielle des jets, sa validation sur des données réelles et l'évaluation de l'incertitude systématique qui lui est associée seront aussi discutées. La détermination précise de l'échelle en énergie des jets (JES: acronyme de Jet Energy Scale) ainsi que l'obtention d'une résolution optimale sont extrêmement importantes pour de nombreuses analyses de physique au LHC. Cela est vrai en particulier pour la recherche de nouvelles résonances tt en raison de la présence de jets dans l'état final. Les résultats sont présentés dans l'ordre dans lequel ils ont été réalisés au cours de cette thèse. (...) / (...) The studies presented in this thesis were performed using data collected by the ATLAS detector at the LHC. The LHC is the largest and highest energy particle accelerator ever built. Around 10000 physicists and engineers around the world are taking part in this experience by developing new techniques and approaches to identify the interesting physics buried in the complex environment produced in the LHC pp collisions. The LHC produced its first pp collisions on November 23, 2009 at the injection energy of 450 GeV. On March 19, 2010 the LHC broke a record by raising the beam energy to 3.5 TeV, and the first pp collisions at 7 TeV were recorded on March 30, 2010. The beam energy for the whole 2011 year was 3.5 TeV per beam, while in 2012 the beam energy is 4 TeV. At the beginning of 2013 the LHC will go into a long shutdown to prepare for higher energy collisions starting in 2014. At the four collision points of the LHC, detectors have been placed to study the high-energy collisions. One of these detectors, ATLAS, a general purpose detector with an extensive initial physics program. The ATLAS detector consists of a tracking system in a 2 T solenoid field, providing coverage up to a pseudo-rapidity of |η|<2.5, sampling electromagnetic and hadronic calorimeters up to |η|<4.9, muon chambers in a toroidal magnetic field and a trigger system consisting of three levels of event selection. So far, the ATLAS sub-detectors have shown an excellent performance in terms of efficiency and resolution. This thesis contains three different analyses interconnected. The main one concerns the results of the search for new resonances that decay to top-quark pairs using the first 2.05 fb-1 of data collected by the ATLAS detector in 2011. Secondly and related to this search, performance studies of the Jet Vertex Fraction (JVF) in top-quark pairs topologies are presented too. JVF is a variable that can be used to reduce the pile-up effects to improve the precision and sensitivity of physics analyses at high luminosities. Finally, results regarding the performance, validation in data and associated systematic uncertainty derivation of the Global Sequential (GS) jet calibration are discussed. The determination of the jet energy scale and the achievement of the optimal jet performance is of key importance to many LHC physics analyses, specially to the main analysis of this thesis due to the presence of jets in the final state. The results are presented in order that they were performed during the thesis.

(...) Le travail de recherche exposé dans cette thèse a été réalisé en utilisant les données collectées par le détecteur ATLAS auprès du LHC. Le LHC est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant jamais construit. Il est constitué d'un double anneau de stockage de protons. Environ 10000 physiciens et ingénieurs du monde entier participent à cette expérience en développant de nouvelles techniques et approches pour identifier les événements intéressants cachés dans l'environnement complexe produit dans des collisions proton-proton. Les premières collisions proton-proton ont eu lieu à la fin de l'année 2009 à une énergie de 900~GeV dans le système du centre de masse. Le 19 Mars 2010, le LHC a battu un record en augmentant l'énergie des faisceaux à 3.5 TeV, et les premières collisions à 7 TeV ont été enregistrées le 30 Mars 2010. L'énergie par faisceau pour l'ensemble de 2011 était de 3.5 TeV, et 4 TeV en 2012. Un an d'arrêt technique est prévu en 2013 avant de parvenir à l'énergie nominale de collision de 14 TeV. Quatre expériences se partagent les quatre points de croisement des faisceaux du grand anneau du LHC. Une d'entre elles, ATLAS, est un détecteur généraliste avec un vaste programme de physique. ATLAS est constitué d'un détecteur interne de traces dans un champ magnétique de 2 T, offrant une couverture jusqu'à |η|<2.5, un système calorimétrique allant jusqu'à |η|<4.9, un spectromètre à muons dans un champ magnétique toroïdal et un système de déclenchement composé de trois niveaux. Tous les sous-systèmes ont d'excellentes performances en termes d'efficacité et de résolution. Cette thèse comprend trois travaux interconnectés. En premier lieu, elle décrit les résultats de la recherche de nouvelles résonances qui se désintègrent en paires tt en utilisant les premiers 2.05 fb-1 de données collectées par le détecteur ATLAS en 2011. Dans une deuxième partie, en connection avec cette recherche, des études de performance de Jet Vertex Fraction (JVF) en utilisant des événements tt sont également présentées. JVF est une variable qui peut être utilisée pour réduire les effets d'empilement afin d'améliorer la précision et la sensibilité des analyses de physique à haute luminosité. Finalement, les performances de la calibration Globale Séquentielle des jets, sa validation sur des données réelles et l'évaluation de l'incertitude systématique qui lui est associée seront aussi discutées. La détermination précise de l'échelle en énergie des jets (JES: acronyme de Jet Energy Scale) ainsi que l'obtention d'une résolution optimale sont extrêmement importantes pour de nombreuses analyses de physique au LHC. Cela est vrai en particulier pour la recherche de nouvelles résonances tt en raison de la présence de jets dans l'état final. Les résultats sont présentés dans l'ordre dans lequel ils ont été réalisés au cours de cette thèse. (...)