Un des principaux objectifs de l'expérience ATLAS auprès du LHC est l'observations ou l'exclusion de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard, en passant par les mesures de sections efficaces de production de processus du Modèle Standard. Sachant que le taux de production d'une particule dépends de sa section efficace de production ainsi que de la luminosité, il est necessaire de mesurer cette luminosité avec une grande précision. L'expérience ATLAS possède plusieurs détecteurs capable de mesurer la luminosité, dont les deux principaux: LUCID (Luminosity measurement Using Cerenkov Integrating Detector), et BCM (Beam Condition Monitor). Ces détecteurs sont calibrés absolument pendant des prises de données dédiées appelés van der Meer scans, qui ont permis d'obtenir une erreur systématique sur la détermination de la luminosité de 3.4% en 2010. Afin d'obtenir un maximum de différentes approches à la luminosité, plusieurs autres détecteurs contribuent aux différentes comparaisons. Ce document présente les calorimètres à argon liquide du détecteur ATLAS, et en particulier la mise en route et l'opération de leur système haute-tension. Il est montré qu'en mesurant les courant de ce système haute-tension pendant les prises de données de collisions de protons, il est possible d'obtenir des signaux proportionnels a la luminosité. En calibrant ces courants par rapport a un autre luminomètre, il est montré que cette calibration est stable au niveau de 0.5%. / The main goals of the ATLAS scientific programme are the observation or exclusion of physics beyond the Standard Model (SM), as well as the measurement of production cross-sections of SM processes. As the rate of events N of a given physics process is linked to the cross-section through the luminosity, it is important to measure the luminosity with great precision. The ATLAS experiment has two major luminosity monitors, LUCID (Luminosity measurement Using Cerenkov Integrating Detector), which consists of Cerenkov tubes located around the beam axis 17m away from the interaction point, and BCM (Beam Condition Monitor) which is a diamond-based detector and has both beam-abort and luminosity capabilities. As these detectors provide a relative luminosity measurement, they were absolutely calibrated in 2010 using the van der Meer procedure, achieving a total systematic uncertainty of 3.4%. The ultimate plan is to provide an absolute calibration using the ALFA detector during a run with special beam optics. In order to provide more cross-checks and a better control on the systematic uncertainties, other luminosity handles are always needed. In particular, an independent measurement using the liquid argon forward calorimeter (FCal), based on the readout current of its high-voltage system, has been developed. This document presents the commissioning and operations of the ATLAS liquid argon calorimeter high-voltage system, as well as its usage to perform a luminosity determination. Analysis of the high-voltage currents during LHC collisions and comparisons with other luminosity detectors have led to a calibration of these currents with a precision better than 0.5%.

Depuis 1994, j'ai travaillé dans les expériences OPAL et ALEPH au LEP puis dans l'expérience ATLAS au LHC. <br />Dans OPAL, j'ai travaillé sur la physique des mésons D*. J'ai contribué à la mesure de (Z0 c cbar)/ (Z0 hadrons), de l'énergie moyenne des D* xc D* et de la multiplicité moyenne du processus de division gluonique g c cbar, ng c cbar , dans les désintégrations hadroniques du Z0. Par la suite, j'ai travaillé sur la mesure de l'alignement du spin des mésons D*, puis avec George Lafferty, nous avons écrit un article sur les mesures d'alignement de spin des mésons vecteurs dans OPAL. Enfin, j'ai participé à la construction du détecteur Tile Endcap d'OPAL. Dans ALEPH, j'ai travaillé sur la mesure de la masse du W à LEP2. J'ai implémenté le canal e+e- WW q qbar dans l'analyse. J'ai dirigé le groupe Mesure de la masse du W semileptonique au sein d'ALEPH. Nous avons élaboré des méthodes d'ajustements pour déterminer la masse invariante, puis une méthode de repondération de données simulées pour extraire la masse du W à partir de la distribution de la masse invariante. Dans ATLAS, avec Georges Azuelos, nous avons publié un article sur la recherche du radion dans le modèle des dimensions supplémentaires de Randall et Sundrum. Ensuite, avec le thésard que je co-dirigeais, Christophe Le Maner, son directeur Luc Poggioli, et Elzbieta Richter-Was, nous avons publié un article sur la recherche du boson de Higgs produit par fusion bosonique faible avec le Higgs se désintégrant selon H WW l q qbar. Enfin, j'ai participé à l'analyse des données des divers tests en faisceau du SPS dont le but était d'étudier 4 des modules du calorimètre électromagnétique tonneau. J'ai contribué à l'élaboration d'un programme de monitorage, à l'optimisation du code et à la production des coefficients de filtrage optimal et j'ai effectué une étude de la diaphonie dans le détecteur avec son implémentation dans la détermination de ces derniers coefficients. J'ai aussi participé à la construction et au câblage d'un certain nombre de modules du calorimètre électromagnétique argon liquide. J'ai co-dirigé deux théses (C.LeManer: soutenue, F.Tarrade: en cours), et dirigé des étudiants en thèse (B.Raven, E.Thomson) et des étudiants d'été (M.Doucet, I.Trigger). J'ai enseigné au CEGEP au Québec, pendant ma thèse à l'Université de Montréal, puis au CNAM en France. J'ai participé à l'organisation d'un certain nombre de manifestations en physique des particules i.e. PAF, les Houches, Spin Workshop, semaine OPAL. J'ai été invitée à donner des séminaires dans des conférences internationales et nationales i.e. CIPANP2000, Hommage à Trân Thanh Vân, Rencontres du Vietnam. Je participe à des échanges avec d'autres pays : la Pologne et le Maroc. Je m'intéresse à la vulgarisation des sciences et viens de donner une conférence à l'Université de Tous les Savoirs sur la physique aux accélérateurs

ATLAS, une des quatre expériences opérant auprès du Grand Collisionneur de Hadrons, est conçue pour découvrir la pièce manquante du Modèle Standard de la physique des particules, le boson de Higgs et pour rechercher des signes d'une nouvelle physique à l'échelle du Teraélectron-volt. Le calorimètre électromagnétique, un des sous-système majeur d'ATLAS, utilise une technologie argon liquide avec une géométrie en accordéon. Ce détecteur fut testé, pendant la phase de construction, lors d'une série de tests en faisceaux, puis, après son installation, à l'aide de muons cosmiques. Les performances du calorimètre, telles que résolution en énergie, linéarité et uniformité, furent étudiées. Si une nouvelle physique est découverte au LHC, l'étape suivante sera de mettre en évidence les propriétés de la théorie sous-jacente. A partir de l'exemple du lagrangien supersymétrique à l'échelle du TeV, nous montrerons comment, grâce au programme SFitter, il est possible d'étudier un espace de vraisemblance de grande dimension et d'extraire les valeurs des paramètres de la théorie ainsi que leur domaine de vraisemblance. Nous discuterons en particulier la présence de maximums secondaires et les corrélations entre paramètres.

L’Univers est principalement constitué d’un ensemble d’éléments non baryoniques et non lumineux appelé la matière noire. L’un des candidats actuellement favorisés est une particule massive interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP) issue du Big Bang. Le programme DarkSide vise à la détection directe de WIMPs à l’aide d’une chambre à projection temporelle utilisant de l’argon liquide en double phase. La première étape de l’expérience, DarkSide-50 ( (46 ± 0,7) kg de masse active) est en cours d’exécution. Une première campagne, avec un remplissage d’argon atmosphérique(AAr), a produit la meilleure limite sur la section efficace WIMP-nucleon jamais obtenue par une expérience à base d’argon. La deuxième phase, avec un remplissage d’argon souterrain (UAr, appauvri en Ar-39), représente une étape importante vers la construction de DarkSide-20k, une expérience à bas bruit de fond avec une masse fiducielle de 20 t. Ce travail est principalement consacré à la description de la simulation Monte Carlo de DarkSide (G4DS), et à ses applications. G4DS, basé sur GEANT4, fournit la description géométrique de chaque détecteur du programme DarkSide ; il a été calibré afin de reproduire la réponse de DarkSide-50 avec une précision de l’ordre de 1 % et intègre un modèle spécifiquement développé pour la description des mécanismes d’ionisation et de scintillation dans l’argon liquide, étalonné sur des données expérimentales. Les principales applications de la simulation comprennent l’estimation du bruit de fond dû aux neutrons et gammas pour DarkSide-50, la mesure du facteur d’appauvrissement de l’Ar-39 en UAr par rapport à l’AAr et les études de conception pour DarkSide-20k. / A wide range of observational evidence suggests that the matter content of the Universe is dominated by a non-baryonic and non-luminous component: dark matter. One of the most favored candidate for dark matter is a big-bang relic population of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). The DarkSide program aims to the direct detection of WIMPs with a dual-phase liquid argon TPC and a background free exposure. The first phase of the experiment, DarkSide-50, is running since Oct 2013 and has (46 ± 0.7) kg active mass. A first run, with an atmospheric argon fill (AAr), provided the most sensitive limit ever obtained by an argon-based experiment. The current run, with an underground argon fill (UAr, depleted in Ar-39), represents a milestone towards the construction of DarkSide-20k, a low-background dual-phase TPC with a fiducial mass of 20 t. This work is been mainly devoted to the description of G4DS, the DarkSide Monte Carlo simulation, and to its applications. G4DS is a GEANT4-based simulation, it provides the geometry description of each detector of the DarkSide program, it is tuned to reproduce the DarkSide-50 response at the percent level and incorporates a custom model for ionization and scintillation mechanisms in liquid argon, tuned on real data. The principal applications of the simulation include the estimate of the neutron and gamma backgrounds for DarkSide-50, the measurement of the Ar-39 depletion factor in UAr with respect to AAr and the design studies for DarkSide-20k.

Cette thèse s'articule autour de la compréhension du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible dans l'expérience ATLAS au LHC, à travers deux thématiques complémentaires : la recherche du boson de Higgs dans le canal H->gamma gamma et une recherche de dimensions supplémentaires dans le secteur des gluons. Par ailleurs, les tests de l'électronique du calorimètre électromagnétique ont permis de valider la conception des cartes contrôleur et maître SPAC, dont la responsabilité était liée au LPNHE.<br /><br />Pour la recherche du Higgs dans le canal H->gamma gamma, l'utilisation de données de simulation complète du détecteur a permis de calculer de façon précise la résolution en masse du système diphotons. Concernant le bruit de fond de jets, une étude a été faite avec des variables discriminantes afin d'obtenir, pour une efficacité de 80 % d'identification des photons, un pouvoir de réjection des jets de l'ordre de 7000. Grâce aux progrès théoriques récents, le signal et le bruit de fond ont pu être étudiés à un ordre supérieur du développement perturbatif, ce qui augmente les sections efficaces. Le potentiel de découverte profite de cette augmentation des sections efficaces et augmente de 50 % par rapport à la même analyse faite au niveau fondamental (LO). Enfin, une nouvelle analyse utilisant une méthode de maximum de vraisemblance permet d'améliorer de l'ordre de 40 % le potentiel de découverte par rapport à notre propre analyse classique. Finalement, le boson de Higgs peut maintenant être découvert dans ce canal pour une luminosité intégrée de 10 fb^(-1) pour un Higgs à 120 GeV/c^2<br /><br />Par ailleurs, le problème de naturalité de la masse du Higgs peut être résolu par l'introduction de dimensions supplémentaires dans lesquelles les gluons peuvent se propager. Nous avons montré qu'il était possible de découvrir l'existence de dimensions supplémentaires jusqu'à une échelle de compactification de 15 TeV.

Le LHC est un collisionneur proton-proton avec une énergie de 14 TeV disponible dans le centre de masse, qui entrera en service courant 2007 au CERN. Deux de ses expériences, ATLAS et CMS, rechercheront et étudieront notamment le boson de Higgs, la Supersymétrie et toute autre nouvelle physique. Cette thèse porte sur deux aspects de l'expérience ATLAS : • d'une part la simulation du calorimètre électromagnétique à Argon liquide, en particulier la reproduction de la chaîne d'électronique pour la numérisation du signal et l'estimation du bruit d'électronique et du bruit d'empilement (dû aux événements résultant des collisions élastiques au LHC). Ces deux points ont été validés par l'analyse des données des tests en faisceau de 2002 et 2004. • d'autre part une étude de physique portant sur le modèle du Petit Higgs. Ce modèle récent a pour but de résoudre le problème de hiérarchie du Modèle Standard en introduisant de nouvelles particules lourdes pour annuler les divergences quadratiques dans le calcul de la masse du boson de Higgs. Ces nouvelles particules, d'une masse de l'ordre du TeV/c2, sont un quark top lourd, des bosons de jauges lourds ZH, WH et AH, et enfin un triplet de Higgs lourds. L'étude de physique a porté sur les désintégrations caractéristiques du modèle, ZH en Z+H et WH en W+H, avec un Higgs soit d'une masse de 120 GeV/c2 se désint´egrant en deux photons, soit de 200 GeV/c2 se désintégrant en ZZ ou WW. Les résultats montrent dans les deux cas, pour 300 fb−1 (3 ans de fonctionnement à haute luminosité), une observation du signal à 5 écart-types pour des masses de ZH et WH inférieures à 2 TeV/c2, couvrant une large partie de l'espace des paramètres.

ATLAS est l'une des quatre expériences qui fonctionneront auprès du LHC, le futur collisionneur à protons du CERN. Cet accélérateur, dont le démarrage est prévu en 2007, permettra de prolonger les études menées auprès de ses prédécesseurs, telles que les recherches du boson de Higgs du modèle standard ou de signatures d'une nouvelle physique. Ces études seront facilitées par la puissance du LHC : énergie de 14 TeV dans le centre de masse et luminosité intégrée annuelle de 10 fb-1 durant les trois premières années, puis de 100 fb-1.<br> Dans le cadre de la collaboration ATLAS, le Centre de Physique des Particules de Marseille a en charge, entre autre, la construction de la moitié des modules qui composent le bouchon du calorimètre électromagnétique. La description de ce sous-détecteur et les étapes de sa construction, en particulier les tests électriques qui permettent la validation du montage de chaque module, sont présentées dans ce document. Les résultats de ces tests, obtenus pour les cinq premiers modules de série, sont analysés.<br> Les performances d'un module de pré-série (module 0), testé sous faisceau au CERN en 1999, sont également exposées. Les études menées sur l'uniformité de la réponse du détecteur ont permis d'effectuer des améliorations importantes sur les constituants du calorimètre. Un terme constant global de 0.6% a été déterminé dans la partie (roue) interne du bouchon.

En 2011, le LHC a fourni près de 5 fb−1 de données aux expériences. Ces données ont été utilisées pour comprendre plus avant les détecteurs, leurs performances et effectuer des analyses de physique. Cette thèse est organisée en cinq chapitres. Le premier est une introduction théorique au Modèle Standard et à une de ses extensions possible : la TechniCouleur. Le deuxième chapitre donne un bref aperçu de l'accélérateur LHC et de l'expérience ATLAS. Dans le troisième chapitre, l'un des principaux sous-système de l'expérience ATLAS est présenté : le calorimètre à argon liquide. L'algorithme de contrôle de l'acquisition et de la qualité des données que j'ai développé au cours de ma thèse est également présenté. Le quatrième chapitre présente une étude des performances de la reconstruction des jets basée sur l'ensemble des données acquises en 2010. Cette étude a montré qu'en 2010, la résolution en énergie des jets dans le Monte-Carlo a été sous-estimée d'un facteur relatif d'environ 10% par rapport aux données. Cette étude a été ensuite reconduite pour évaluer l'impact de la réduction de la HV dans des zones du calorimètre sur la résolution en énergie des jets. Cet impact a été jugée négligeable. Pour des jets produits avec une rapidité |y| < 0.8, l'augmentation de la résolution en énergie due à la réduction de la HV, est évaluée à moins de 3 % pour un jet de pT = 30 GeV jet, et moins de 0,1 % pour un jet de pT = 500 GeV. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse présente une étude de l'état final Wgamma. La contribution des différents processus du MS participant à cet état final a été estimée à partir du Monte Carlo et des données. Une recherche de résonances étroites a ensuite été effectuée en utilisant la distribution M(W,gamma) dans un intervalle [220,440] GeV, mais aucun écart significatif des prédictions du MS n'a été observé. Cette étude a permis de fixer des limites sur la production de particules TC correspondant à M(a_{T}) > 265 GeV ou M(\rho_{T}) > 243 GeV. / In 2011 the LHC has provided almost 5 fb-1 of data to the experiments. These data have been used to perform a deep commissioning of the detectors, understand the performances of the detector and perform physics analysis. This thesis is organized in five chapter. The first one is a theoretical introduction to the Standard Model and to one of its possible extension: the TechniColor. The second chapter gives a brief overview of the LHC and the ATLAS experiments. In the third chapter one of the key subsystem of the ATLAS experiment is presented: the LAr calorimeters. The monitoring of the data acquisition developed during my thesis is also presented in this chapter. The fourth chapter presents a study of the jet performances based on the data set acquired in 2010. This study has shown that in 2010, the Monte Carlo was underestimating the jet energy resolution by a relative factor of about $10\%$. This study was refocused to evaluate the impact of the reduced LAr HV area on the jet energy resolution. The impact of the HV reduced region was found to be negligible. For jets produced with a rapidity |y|<0.8, the increase of energy resolution due to the HV reduction, is evaluated at less than 3% for a pT=30 GeV jet, and less than 0.1% for a pT=500 GeV jet. Finally the last chapter of this thesis present a study of the Wgamma final state. The standard model backgrounds contributing to this final state were estimated from Monte Carlo and from data. A search for narrow resonances was then conducted using the M(Wgamma) distribution in a range [220,440] GeV, but no significant deviation from the SM was observed. This study has allowed to set limits on the production of TC particles corresponding to M(a_{T}) > 265 GeV or M(\rho_{T}) > 243 GeV.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

Le projet DUNE est un projet d’expérience d’oscillations de neutrinos sur faisceau longue-distance, dédié en particulier à la détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et à la mesure de la phase de violation CP intervenant dans le mécanisme d’oscillations. Ce projet consiste en un faisceau intense de neutrinos de 1300 km et un détecteur massif contenant plus de 40 kilotonnes d’argon liquide, basé sur la technologie des chambres à dérive à argon liquide (LArTPC). Deux approches de cette technologie sont actuellement en développement, menant à l'installation au CERN de deux prototypes dont la construction devrait s'achever fin 2018. Le travail présenté dans cette thèse s’intègre dans le cadre du projet ProtoDUNE-DP, qui vise à prouver la faisabilité de la technologie dite « double-phase », c’est-à-dire utilisant de l'argon liquide et gazeux, pour les LArTPC de cette envergure. Deux signaux principaux sont attendus dans un tel détecteur, un signal de charges et un signal lumineux de scintillation. Le signal lumineux peut être utilisé dans le système de déclenchement d'acquisition des données, dans l’identification et éventuellement la réjection du signal dû aux muons cosmiques, et pour des mesures calorimétriques de précision. Des simulations préalables de ce signal sont donc nécessaires afin d'en comprendre les particularités et de développer des algorithmes d'identification. Cette thèse porte en particulier sur le développement de cette simulation et sur l’étude de la propagation des photons de scintillation au sein du détecteur. Les différents mécanismes de production de la lumière de scintillation, la simulation développée au cours de cette thèse et les études réalisées sur la propagation de la lumière de scintillation dans ProtoDUNE-DP seront présentés. Ces simulations ont également pu être comparées aux données recueillies avec un pré-prototype double-phase installé au CERN en 2017, afin de tester la validité de la simulation et d’en améliorer les différents paramètres. / DUNE is a future long-baseline neutrino experiment designed to determine, among others, the neutrino mass hierarchy and to measure the CP violation phase that enters the neutrino oscillation process. This project is based on a 1300 km long high intensity neutrino beam and a massive detector containing more than 40 kilotons of liquid argon using the liquid argon time projection chamber technology (LArTPC). Two approaches of this technology are currently under development, leading to the construction of two prototypes to be in place at the end of 2018 at CERN. The work of this thesis is part of the ProtoDUNE-DP project, which aims at probing the capabilities of the so-called “dual-phase” technology, that uses both gaseous and liquid argon, for a large-scale detector. Two kind of signals, a charge signal and a scintillation light signal, are expected in a LArTPC. The light signal can be used as a trigger, for the identification and rejection of the cosmic background, and for precise calorimetric measurements. Prior simulations of this signal are needed in order to improve our understanding of the scintillation light signal and to develop the identification algorithms. This work addresses the development of this simulation and the study of the scintillation photon behavior in the liquid argon detector. The different scintillation light production mechanisms, the developed simulation and the different studies on the light propagation in ProtoDUNE-DP are presented. These simulations have also been compared with light data taken at CERN in 2017 with a first demonstrator, in order to validate and tune the simulation.