J'ai pris part à la recherche du boson de Higgs dans l'expérience ATLAS avec l'étude de l'état final comprenant une paire de quark top anti-top accompagnée d'un boson de Higgs, dit ttH. Je me suis spécialisé sur le canal boostés, dans lequel quarks top et boson de Higgs sont émis à haute énergie.La mesure de la section efficace du processus physique pp -> ttH permet de tester la validité du Modèle Standard de la physique des particules, qui prédit le mécanisme d'interaction entre quark top et boson de Higgs. / I took part in the Higgs boson search in the ATLAS experiment with the study of the final state of a top anti-top quark pair accompanied by a Higgs boson, called ttH. I have been focused on the boosted channel, in which top quarks and Higgs bosons are emitted at high energy.The measurement of the cross-section of the physical process pp -> ttH enables to test the validity of the Standard Model of particle physics, which predicts the mechanism of interaction between quark top and Higgs boson.

This thesis presents precision measurements and phenomenological studies of quark and gluon radiation in top-antitop and Z+jets final states. A measurement of top-antitop production with a veto on additional jet activity is performed using 2.1 inverse femtobarn of proton-proton collision data with a centre-of-mass energy of 7 TeV, collected by the ATLAS detector. Jet veto efficiency measurements are performed in several regions of rapidity and corrected for the effects of finite detector resolution and acceptance. A total experimental uncertainty of less than 5% is achieved in all distributions. Two phenomenological studies are performed on the additional quark and gluon radiation produced in association with boosted top-antitop systems. In the first study it is shown how a measurement of the jet veto efficiency can be used to identify the colour of a TeV-scale resonance decaying to top-antitop. The second follow-up study describes how the performance of several top-tagging algorithms is affected by the colour structure of an event. Measurements of the electroweak production of dijets in association with a Z-boson and distributions sensitive to vector boson fusion are performed using 20.3 inverse femtobarn of proton-ptoron collision data collected by ATLAS at 8 TeV. Detector-corrected differential cross sections, and distributions sensitive to radiation produced in addition to the Zjj system, are measured in five fiducial regions with varying sensitivity to the electroweak component of the Zjj cross section. Data are compared to MC predictions and are in reasonable agreement in the majority of cases. The electroweak Zjj cross section is extracted and found to be in good agreement with theory predictions. Limits are also placed on anomalous triple gauge couplings. The commissioning of an event filter isolated muon trigger is also presented. The trigger became one of the primary muon triggers used during the 2012 data taking.

In this thesis, I deal with the measurement of the transverse momentum spectrum of the top quark produced in top-antitop pairs at the LHC at center of mass energy 7 TeV. The analysis is carried out within the ATLAS collaboration. In the single lepton decay channel, I have performed studies on the simulation which were necessary to obtain the final spectrum from real data. I describe basic event selection rules to reduce background events. I study the efficiency of top-antitop pairs reconstruction. I study the unfolding of the measured spectrum which corrects for effects caused by imperfect resolutions. At the end, I show the measured top quark transverse momentum spectrum obtained from my analysis.

L'expérience CMS auprès du LHC, grand collisionneur de hadrons, est un détecteur généraliste qui permet d'étudier tous les aspects des collisions proton-proton produites par le LHC : de l'étude du Modèle Standard et du boson de Higgs à la recherche de signaux de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard.La première partie de cette thèse est dédiée à la calibration en énergie des jets dans CMS, un des plus grands défis et une étape fondamentale pour la réussite du programme de physique dans cet environnement hadronique. Plus particulièrement, l'étude des événements multijets permet de contraindre l'échelle en énergie des jets au-delà du TeV. Les corrections en énergie ainsi extraites sont primordiales pour les analyses de physique utilisant des jets, et sont utilisées par toute la collaboration CMS.La deuxième partie est consacrée à la recherche de particules de spin 0 se désintégrant en paires de quarks top-antitop. En effet, de nombreux modèles de nouvelle physique prédisent de nouvelles particules scalaires ou pseudoscalaires avec un fort couplage au quark top. Une étude phénoménologique de deux de ces modèles est présentée, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs (2HDM) et l'extension supersymétrique minimale du Modèle Standard (MSSM). Ces modèles offrent tous deux un secteur de Higgs enrichi avec entre autre deux bosons de Higgs neutres additionnels, un scalaire et un pseudoscalaire. Une analyse du spectre de masse invariante des paires top-antitop utilisant les données collectées par CMS en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV visant à mettre en évidence l'existence de telles particules est menée. Cette analyse prend en compte pour la première fois les effets des interférences entre la production des paires top-antitop du Modèle Standard et la production résonante à travers la nouvelle particule de spin 0. Il est montré que l'impact des interférences ne peut être négligé. Aucune déviation par rapport aux prédictions théoriques du Modèle Standard n'a été observée dans le spectre de masse invariante des paires top-antitop. Un premier aperçu des données à 13 TeV est également présenté / The CMS experiment at the LHC, the Large Hadron Collider, is a general-purpose detector built to study the proton-proton collisions produced by the LHC, corresponding to a broad physics programme ranging from studying the Standard Model and the Higgs bosons to searching for signal of new physics beyond the Standard Model.The first part of this thesis is dedicated to the jet energy calibration in CMS, one of the most challenging and crucial steps for the sucess of the physics programme within the hadronic environment. More specifically, the study of multijet events allows to constraint the jet energy scale beyond the TeV-scale. The jet energy corrections thus obtained are fundamental for the physics analyses using jets, and are used by all the CMS collaboration.The second part of this manuscript is dedicated to the search for new spin 0 particles decaying into top-antitop quarks pairs. Indeed, several new physics models predict new scalar or pseudoscalar particles with an enhanced coupling to the top quark. A phenomenological study of two of those models is presented, namely the two higgs doublet models (2HDM) and the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). These models both offer an enriched Higgs sector with in particular two additional neutral Higgs bosons, one scalar and one pseudoscalar. The analysis of the top-antitop pairs mass spectrum using data collected by CMS in 2012 at an energy in the center of mass of 8 TeV is presented, looking for such particles. This search takes into account for the first time the effects of interference between Standard Model top-antitop pairs production and its resonant production through the spin 0 particle. This work shows the impact of interference cannot be neglected. No deviation from the Standard Model predictions has been observed in the top-antitop mass spectrum. A first look at 13 TeV data is also presented

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

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.

ATLAS, LHC, quark b, quark top, étiquetage des jets issus de quark b, calibration des algorithmes d'étiquetage des jets issus de quark b, quarks top-antitop, section efficace, section efficace différentielle des paires top-antitop, masse du top, rapidité du top, nouvelle physique.

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit trois des quatre interactions fondamentales et toutes ses prédictions ont été confirmées expérimentalement. Cependant, il reste encore des questions auxquelles le Modèle Standard ne peut répondre. Plusieurs pistes théoriques sont explorées et certaines prédisent de nouvelles particules se désintégrant en paire de quarks top-antitop qui pourraient être observé par le détecteur ATLAS auprès du collisionneur LHC.À partir de 2026, le LHC redémarrera après avoir fait l'objet d'une importante phase d'amélioration afin d'augmenter sa luminosité. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les études réalisées sur FATALIC, une puce qui a été proposée pour le remplacement de l'électronique frontale du calorimètre hadronique à tuiles d'ATLAS. Les études ont montré que FATALIC est capable de reconstruire les paramètres d'un signal analogique en utilisant trois canaux de gain et un changement de gain dynamique. Les simulations ont démontré que les performances attendues de la voie rapide de FATALIC entraient dans les spécifications demandées.Ensuite, a été présentée une recherche de nouvelles résonances se désintégrant en paire de quarks top-antitop, utilisant 36,1 fb-1 de données issues des collisions proton-proton à 13 TeV au LHC pendant les années 2015 et 2016. Cette recherche s'est concentrée sur le canal de désintégration semi-leptonique de la paire top-antitop, où l'état final possède une signature comprenant exactement un lepton, des jets hadroniques et de l'énergie transverse manquante. L'estimation du bruit de fond multi-jets a été présentée en détail. Une recherche dans le spectre de masse invariante de la paire top-antitop a été effectuée pour les deux topologies résolue et boostée et la compatibilité des données par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été testée. Aucune déviation significative par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été trouvée et des limites sur les sections efficaces de production de signaux issus des modèles considérés furent mises.Les difficultés rencontrées lors de l'estimation des bruits de fond et du pré-traitement des incertitudes systématiques pour l'analyse à 36,1 fb-1 ont motivé la recherche d'une nouvelle méthode pour l'estimation du bruit de fond globale. L'algorithme Décomposition Fonctionnelle (FD) est une nouvelle méthode permettant de rechercher de nouvelles particules dans un spectre de masse invariante, en séparant la contribution du bruit de fond de celles des contributions résonantes. FD a été testé dans le but de vérifier ses performances sur des pseudo-données des analyses top-antitop et « 4t BSM ». Dans un premier temps, des tests ont été menés sur la propension de FD à créer de faux signaux dans les spectres de masses invariantes. La première version s'est montrée sensible à ce problème. FD a ensuite été amélioré pour réduire la sensibilité à la création de faux signal. Enfin, des études d'injections de signal ont été réalisées et FD a montré des difficultés à modéliser la contribution du signal et à la séparer du bruit de fond pour des largeurs de signal supérieures à 3%. / The Standard Model of particle physics describes three of the four fundamental interactions and all of its predictions have been experimentally confirmed. However, there are still questions that the Standard Model cannot answer. Several theoretical models are being explored and some predict new resonances that would decay into a top-antitop quarks pair that could be observed by the ATLAS detector at the LHC collider.In 2026, the LHC will restart after a significant improvement phase to increase its luminosity. It's in this context that the studies on FATALIC, a chip that has been proposed for the replacement of the front-end electronics of the ATLAS hadronic tile calorimeter, were achieved. The studies showed that FATALIC was able to reconstruct the parameters of an analog signal using three gain channels and a dynamic gain switch. The simulations showed that the expected performance of FATALIC's fast channel was within the required specifications.Then, a search for new particles decaying into a top-antitop quarks pair was presented, using 36.1 fb-1 data from the proton-proton collisions at 13 TeV of the LHC for the years 2015 and 2016. This search concentrate on the semi-leptonic decay channel of the top-antitop quarks pair, where the final state has a signature with exactly one lepton, hadronic jets and missing transverse energy. The estimate of the multi-jets background noise was presented. A search in the top-antitop invariant mass spectrum was performed in the two topology resolved and boosted and the compatibility of the data with respect to the Standard Model predictions was tested. No significant deviation from the Standard Model's predictions was found and limits on benchmark models signal cross sections were set.The difficulties encountered in estimating the background noises and on the profiling of the systematic uncertainties for the 36.1 fb-1 analysis has motivated the search for a new method to perform the global background estimate. The Functional Decomposition (FD) algorithm is a new method to search for new particles in an invariant mass spectrum, separating the contribution of the background noise to those of the resonant contributions. FD has been tested to verify its performance on pseudo-data from the top-antitop and « 4t BSM » analyses. First, tests were conducted to check if FD was creating spurious signal. The first version suffered of this problem and FD was then improved to reduce the amount of spurious signal. Finally, signal injection studies were carried out and FD showed difficulties to model the signal's contribution and to separate it from the background noise for signal with widths greater than 3%.

(...) 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. (...)