Cette thèse présente la recherche de nouvelle physique avec un état final contenant un seul photon et de l'énergie transverse manquante. On recherche la matière sombre (ou noire) et la signature de particules supersymétriques. L'analyse des données collectées par le détecteur ATLAS au LHC, issues de collisions proton-proton dont l'énergie dans le centre de masse est de 8 TeV, est faite avec une luminosité intégrée de 20.3fb−1. L'accord entre les données mesurées et les prédictions du modèle standard permet d'établir une limite sur la section effi- cace de production mesurable. Cette limite est observée à la valeur de 3.64 fb à 95% de niveau de confiance.Dans cette thèse, la limite expérimentale obtenue est également interprétée comme une limite dans l'espace des paramètres de deux nouveaux modèles.Le premier est basé sur une théorie des champs effective qui s'inspire des résultats du satellite Fermi-LAT. Dans ce modèle, les particules de matière sombre se couplent aux pho- tons par une interaction de contact. Les limites sur l'échelle de masse effective sont établies et dépendent d'un postulat sur les constantes de couplage. Elles contraignent l'espace des paramètres qui est compatible avec les résultats de Fermi-LAT.Le second est un modèle supersymétrique simplifié décrivant la production de paires de squarks se désintégrant en un quark et un neutralino. Dans ce cas, le photon est émis soit dans l'état initial soit dans l'état final. De plus, le spectre en masse est compressé, i.e. que la différence de masse entre les squarks et les neutralinos est supposée petite. Les limites sont établies sur la section efficace de production. Ces limites montrent une exclusion sur la masse des squarks jusqu'à 250 GeV dans la région la plus compressée de l'espace des paramètres. Le photon pouvant être émis par le squark intermédiaire, cet état final pourrait permettre de déterminer la charge du squark.Enfin, une étude préliminaire prospective à l'énergie de collision de 13 TeV a égale- ment été menée. Elle montre qu'avec 5fb−1 de données seulement, les limites peuvent être améliorées de 10%. / This thesis presents the search for new physics in the final state containing a single photon and missing transverse momentum. The analysis is performed on 20.3fb−1 of proton-proton collisions data at a center-of-mass energy of 8 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Given the good agreement of the data with the Standard Model pre- diction of such events, an upper limit to the visible cross section produced by new physics is derived. The observed limit at 95% confidence level is 3.64 fb.In this thesis, the results are also interpreted as limits in the parameter space of two new physics models. The first model is an effective field theory, inspired by Fermi-LAT results, in which dark matter particles couple to photons via a contact interaction vertex. Limits are set on the effective mass scale and depend on the postulated coupling constants. The limits set in this dark matter model provide an effective constraint in the parameter space of the theory compatible with the Fermi-LAT results. The second one is a simplified supersymmetric model describing squark pair production with their subsequent decay into a quark and a neutralino. The photon is emitted as initial or final state radiation and the spectrum is compressed, i.e. the mass difference between the squark and the neutralino is assumed to be small. Limits are set on the production cross-section; squark masses are excluded up to 250 GeV in the very compressed region. As the photon can be irradiated from the intermediate squark, this final state would eventually provide the possibility to probe the charge of the squark.A preliminary study has also been carried out to show the search sensitivity with 13 TeV data, which indicate that the limits presented in this thesis can already be improved by 10% with 5fb−1.

Suite à la détection du très attendu boson de Higgs, le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) ainsi que le détecteur ATLAS se prépare pour une importante mise à niveau. Prévu pour le LHC à Haute Luminosité (HL-LHC), le ITk (Inner TracKer), un trajectomètre pour particules chargées fait de silicium, est la mise à niveau du détecteur interne du détecteur ATLAS. Une phase de test des modules de détecteur du ITk est cruciale puisque le détecteur sera inaccessible pour environ 10 ans suite à l’installation. Ce mémoire se concentrera sur les tests effectués sur un sous-ensemble du détecteur ITk, soit le détecteur ITk Strip. Pour détecter les bris prématurés sur les 20 000 modules qui seront produits, une procédure de cyclage thermique sera mise en oeuvre, où les modules seront refroidis et réchauffés pour recréer les 10 ans d’opération. Ces tests seront effectués dans une enceinte appelé coldbox. Le thème de ce mémoire est le calcul du stress mécanique dans les modules ITk Strip induit par la procédure de cyclage thermique à l’aide de la méthode des éléments finis. Le premier résultat obtenu est que le stress induit dans le module installé dans le coldbox est causé par le vide appliqué sous le module pour le tenir en place. De plus, le stress maximal durant le cyclage thermique est grandement dépendant de l’épaisseur du joint sous-vide utilisé. Ainsi, un joint plus mince cause un stress plus faible. Finalement, le stress dans le coldbox est entre 20 MPa et 100 MPa variant avec l’épaisseur du joint, ce qui est en accord avec le stress calculé pour une disposition semblable au détecteur final, donnant un stress de 64.8MPa. Il est donc possible de conclure que le coldbox est un bon candidat pour effectuer le cyclage thermique. / Following the great achievement by the ATLAS experiment at the Large Hadron Col- lider (LHC) that is the detection of the long-awaited Higgs boson, an upgrade of the LHC is planned, requiring an upgrade of ATLAS. Planned for the High-Luminosity LHC, the ITk (Inner TracKer), an all-silicon charged particle tracker, is the upgrade of the current ATLAS Inner Detector. Testing of the detector modules comprised in the ITk is crucial because the detector will be inaccessible for approximately 10 years following the installation. In this thesis, the focus will be kept on a subset of the ITk detector, namely the ITk Strip detector. To detect premature failure in the 20 000 Strip modules that will be produced, a series of tests will be performed, one of which will be the thermal cycling, where modules are monitored while being thermally cycled to replicate 10 years of operating conditions. These tests will occur in a special enclosure known as a coldbox. The subject of this work is to study the induced mechanical stress in future ITk Strip detector modules due to thermal cycling using Finite Element Analysis. Our first result is that the stress created in the module is mostly due to the vacuum applied to hold the module. Moreover, the maximum stress felt during thermal cycling is highly dependent on the thickness of the vacuum seal used: A thinner seal causes a lower stress. Finally, the stress in the module in our thermal cycling setup is between ∼ 20 MPa and ∼ 100 MPa depend- ing on the selected seal thickness, which is consistent with the stress expected in the final detector design which is approximately 64.8MPa. We can then conclude that the proposed design for the coldbox is a good candidate to perform thermal cycling.

The beam intensity of the Large Hadron Collider will be significantly increased during the Phase-II long shut down of 2024-2026. Signal processing techniques that are used to extract the energy of detected particles in ATLAS will suffer a significant loss in performance under these conditions. This study compares the presently used optimal filter technique to alternative machine learning algorithms for signal processing. The machine learning algorithms are shown to outperform the optimal filter in many relevant metrics for energy extraction. This thesis also explores the implementation of machine learning algorithms on ATLAS hardware. / Graduate

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.

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