Cette these a pour sujet la recherche de nouvelle physique et l'etude de la production Drell-Yan dans le canal di-electron a l'aide du detecteur CMS au LHC. Certaines theories au dela du Modele Standard (extra dimensions, theories de grande unification) predisent l'existence de particules massives pouvant se desintegrer en une paire d'electrons. La selection des evenements recherches est presentee et etudiee. La strategie d'analyse est introduite et testee. Enfin, l'analyse des premieres donnees a 7 TeV est decrite et les resultats sont commentes. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Détection et identification de la réaction quark + anti-quark -> e+ + e- à l'aide du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) auprès du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Cette réaction permet de tester avec précision le Modèle Standard et de rechercher d'éventuelles nouvelles particules (Z') prédites par les théories de grande unification (GUT) et par les modèles à dimensions spatiales supplémentaires. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente des recherches sur la nouvelle physique produite par le processus de Fusion de Bosons Vecteur (VBF) dans les états finaux avec une grand impulsion transverse manquante (Etmiss) en utilisant 36.1 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) au CERN en 2015 et 2016. En particulier, elle se concentre sur la recherche de la désintégration invisible du boson de Higgs produit via le mode VBF. Comme le modèle standard de la physique des particules (MS) prédit une désintégration invisible de Higgs uniquement à travers le mode H->ZZ*->4v avec un rapport d’embranchement BR ~ 0,1%, si une désintégration en particules invisibles du boson de Higgs était observée avec un BR supérieur, ce serait un signe de nouvelle physique. Plusieurs modèles au-delà du modèle standard (BSM) prédisent des désintégrations du boson de Higgs en particules de matière noire (DM, non détectées) ou en particules massives neutres à vie longue. Parmi les recherches H->particules invisibles, la plus sensible est celle où le Higgs est produit via le mode VBF. Son état final est caractérisé par deux jets énergétiques, avec les caractéristiques typiques du mode VBF (c'est-à-dire une grande séparation angulaire et une grande masse invariante des deux jets) et une grande impulsion transverse manquante (Etmiss>180 GeV). Pour sélectionner un échantillon d'événements candidats de signal, une région de signal (SR) est définie pour maximiser la fraction d'événements de signal attendus par rapport à la prédiction du MS (bruit de fond). Les processus MS qui peuvent peupler la SR proviennent principalement des processus Z->vv+jets et W->lv+jets, où le lepton est perdu ou non reconstruit. Leur contribution est estimée avec une approche semi-data driven : des régions dédiées enrichies en événements W->lv/Z->ll sont utilisées pour normaliser les données des estimations de Monte Carlo (MC) en utilisant une technique de fit simultané (méthode du facteur de transfert) et pour les extrapoler à la SR. L'estimation de fond prédit est comparée aux données SR observées. Comme aucun excès n'est trouvé, une limite supérieure sur le BR (H-> invisible) est calculée. L'analyse est ensuite réinterprétée dans le cadre de modèles inspirés du modèle Minimal Dark Matter. Le cas d'un nouveau triplet fermionique électrofaible, avec une hypercharge nulle et avec interactions respectant le nombre B-L, ajouté au MS fournit un bon candidat Dark Matter (WIMP pure). Si on considère l'abondance thermique, la masse du composant neutre est d’environ 3 TeV. Cependant des masses plus faibles sont également envisageables dans le cas de mécanismes de production non thermiques ou lorsque le triplet ne constitue qu'une fraction de l'abondance de DM. Il peut être produit à des collisionneurs proton-proton tels que le LHC et il peut être sondé de différentes manières. Une fois produites, les composantes chargées du triplet se désintègrent dans le composant neutre le plus léger, χ0 , avec en plus des pions très mous, en raison de la petite différence de masse entre les composants neutres et chargés. Ces pions de très faible impulsion ne peuvent pas être reconstruits et sont donc perdus. Le χ0 est reconstruit comme de l’Etmiss dans le détecteur. Par conséquent, lorsqu'il est produit via VBF, il donne lieu à une signature avec deux jets VBF et de l’Etmiss, le même état final que celui qui a été étudié pour l'analyse de VBF H->invisible. Des points de masse différentes (de 90 GeV à 200 GeV) ont été engendrés avec les programmes Monte Carlo Madgraph+Pythia, dans le cadre du logiciel officiel ATLAS, et les limites supérieures sont définies sur la section efficace fiducielle de production. Des extrapolations à des luminosités plus élevées (Run3 et HL-LHC) en utilisant une approche simplifiée sont également présentées. / This thesis presents searches for new physics produced via Vector Boson Fusion (VBF) in final states with large Missing Transverse Momentum (Etmiss) using 36.1 fb⁻¹ of data from proton-proton collisions at center-of-mass-energy of 13 TeV, collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN during 2015 and 2016. In particular, it focuses on the search for the invisible decay of the Higgs boson produced via the vector boson fusion (VBF) process. As the SM predicts an Higgs invisible decay only through H->ZZ*->4v with Branching Ratio BR~0.1%, if an invisibly decaying Higgs boson would be observed with a higher BR, this would be a sign of new physics. Several Beyond the Standard Model (BSM) models predict invisibly decaying Higgs boson where the Higgs can decay into dark matter particles or neutral long-lived massive particles. Among the H->invisible searches the most sensitive one is the one where the Higgs is produced via the VBF process. Its final state is characterized by two energetic jets, with the typical features of the VBF mode (i.e. large angular separation and large invariant mass) and large missing transverse momentum (Etmiss>180 GeV). To select a sample of signal candidate events, a Signal Region (SR) is designed to maximize the fraction of expected signal events with respect to the SM prediction (backgrounds). The SM processes which can populate the SR comes mainly from Z->vv+jets and W->lv+jets processes, where the lepton is lost or not reconstructed. Their contribution is estimated with a semi data driven approach: dedicated regions enriched in W->lv/Z->ll events are used to normalize to data the Monte Carlo (MC) estimates using a simultaneous fitting technique (transfer factor) and to extrapolate them to the SR. The predicted background estimate is compared to the observed SR data. Since no excess is found, an upper limit on the BR(H->inv) is set. The analysis is then reinterpreted in the context of models inspired by the Minimal Dark Matter model. The case of a new electroweak fermionic triplet, with null hypercharge and with interactions respecting the B-L number, added on top of the SM provides a good Dark Matter candidate. As such, it is an example of pure Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), meaning that it is a DM particle with SU(2)_L SM interactions which is not mixing with other states (pure).If the thermal abundance is assumed, the mass of the neutral component is around 3 TeV, however smaller masses are also allowed in case of non-thermal production mechanisms or if the triplet constitutes only a fraction of the DM abundance. It can be produced at proton-proton colliders such as the LHC and it can be probed in different ways. Once produced, the charged components of the triplet decays into the lightest neutral component chi0 plus very soft charged pions. chi0 is reconstructed as Etmiss in the detector while the pions, because of the small mass splitting between the neutral and charged components, are so soft that are lost and are not reconstructed. Therefore, when produced via VBF, it gives rise to a signature with two VBF jets and Etmiss, the same final state that has been investigated for the VBF Higgs invisible analysis. Different mass point (from 90 GeV to 200 GeV) have been generated with the Madgraph+Pythia, Monte Carlo programs within the official ATLAS software, and upper limits are set on the fiducial cross section. Extrapolations to higher luminosities using a simplified approach are also presented.

La recherche indirecte des effets de la physique au-delà du Modèle Standard à travers les processus de la saveur est complémentaire aux efforts au LHC pour observer directement la nouvelle physique. Dans cette thèse nous discutons plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard (a) en utilisant une approche basée sur les théories de champs effective et (b) en considérant des extensions explicites du Modèle Standard, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs et les scénarios postulant l'existence des bosons leptoquarks scalaires à basse énergie. En particulier, nous discutons le phénomène de la brisure de l'universalité des couplages leptoniques dans les désintégrations basées sur les transitions b → sℓℓ et b → cτν, et la possibilité de chercher les signatures de la violation de la saveur leptonique à travers les modes de désintégration similaires. Une proposition pour tester la présence d'un boson pseudoscalaire léger à travers les désintégrations des quarkonia est aussi présentée. / Indirect searches of physics beyond the Standard Model through flavor physics processes at low energies are complementary to the ongoing efforts at the LHC to observe the New Physic phenomena directly. In this thesis we discuss several scenarios of physics beyond the Standard Model by (a) reusing the effective field theory approach and (b) by considering explicit extensions of the Standard Model, namely the two-Higgs doublet models and the scenarios involving the low energy scalar leptoquark states. Particular emphasis is devoted to the issue of the lepton flavor universality violation in the exclusive decays based on b → sℓℓ and b → cτν, and to the possibility of searching for signs of lepton flavor violation through similar decay modes. A proposal for testing the presence of the light CP-odd Higgs through quarkonia decays is also made.

This work is devoted to baryon and lepton number violation and flavour physics in theories beyond the Standard Model of particle interactions. First, the relations between the accidental and imposed symmetries are dis- cussed. For example, we argue that the Levi-Civita tensors in the color space may be understood as a unique spurion carrying the baryon number, and as such its absence in the Lagrangian of a specific model indicates baryon number conservation. Afterwards, the two minimal scenarios of quark-lepton unification are ana- lyzed in detail: the Minimal quark-lepton symmetry model and its extension by the inverse seesaw mechanism. We investigate if the observed anomalies in the B-meson decays could be to some extent accommodated within these models. Finally, possible low-energy effects of gauge leptoquarks are studied in the theory of quark-lepton unification and its simple extensions by vector-like leptons. Taking fully into account the freedom in the quark-lepton mixing, a catalogue of measurements currently forming the border of the excluded parameter space is found. We argue that, within the considered class of models, the gauge leptoquark can account for the discrepancies in the neutral-current B decays if and only if at least two extra generations of weak-isosinglet leptons exist. 1

The Standard Model of particle physics is the framework that describes all known phenomenaand interactions between elementary particles. It has proven to give outstanding results overthe years and was succesfully completed with the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in2012 by the ATLAS and CMS collaborations at CERN. However, several observations escape itsreach: the matter-antimatter asymmetry, the nature of Dark Matter or the quantization of theelectric charge. These are all examples of measured facts not explained by the Standard Modelformalism and that call for an extension to a Beyond the Standard Model (BSM) theory. In thisthesis, we have looked for evidence of new physics using proton-proton collision data producedby CERN’s Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV. Collected from2016 to 2018 by the CMS detector, it corresponds to an integrated luminosity of 136/fb .Afteran introduction to the theoretical context and the experimental tools, two analyses are presented.The first one is a search for Dark Matter particles recoiling against a jet and leaving the detectorunnoticed. With this ”monojet” analysis, we are able to exclude mediator masses up to 1.8TeV, and masses of Dark Matter particles up to 700 GeV. The second analysis is a search forfractionally charged particles. Using the fact that their stopping power is lower than StandardModel particles, we are able to exclude their existence up to masses of 765 GeV for a charge of2/3 e. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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[pt] O Modelo Padrão de física de partículas é uma das teorias mais bem estabelecidas no campo da física, sendo capaz de fazer previsões verificadas experimentalmente até doze algoritmos significativos. No entanto, o Modelo deixa algumas perguntas sem resposta, o que vem perturbando os físicos por muitos anos. Uma dessas questões é a estrutura hierárquica presente no setor dos férmions, onde matrizes Yukawas possuem autovalores que diferem um do outro por várias ordens de magnitude. Outro aspecto cabível de investigação é relacionado com a matriz CKM, responsável pela mistura entre férmions de sabores distintos. Por que tal matriz é aproximadamente diagonal e por que os ângulos de mistura são tão pequenos? Por que o elétron é muito mais leve que seus primos de outras gerações? A mesma pergunta pode ser feita para os quarks e o Modelo Padrão não seria capaz de responder nenhuma delas. Nesse trabalho, uma explicação proposta vem da utilização de um novo modelo, chamado de Mecanismo Clockwork, que pressupõe a existência de novos férmions pesados, nomeados Clockwork Gears, que são capazes de naturalmente gerar acoplamentos exponencialmente suprimidos a partir de Yukawas de ordem um, após a ocorrência de quebra espontânea de simetria. Além disso, simulações foram feitas com o objetivo de otimizar os parâmetros livres do modelo, assim como confirmar sua eficiência em acomodar os dados experimentais. Por fim, foi feita uma análise de alguns processos, envolvendo correntes neutras que trocam sabor, no regime de teoria efetiva de campo, para poder-se estipular um limite para a escala típica de massa para essas novas partículas. / [en] The Standard Model of particle physics is one of the most well established theories in the field of physics and is able to make predictions correctly measured and verified up to twelve significant figures. However, the theory leaves some unanswered questions that have been bothering physicist for many years. One of those questions is the hierarchical structure of the fermion sector, where Yukawa matrices have eigenvalues that differ from each other by several orders of magnitude. Another aspect concerns the CKM matrix, which dictates the mixing between fermions of distinct flavours: why is this matrix almost diagonal, and why are the mixing angles so small? Why is the electron so much lighter than its cousins from different generations? The same question could be made for the quarks and the Standard Model would not be able to answer neither of these. In this work, an explanation is proposed by employing a novel model, called Clockwork Mechanism, which assumes the existence of new heavy fermion particles, named Clockwork Gears, which are able to naturally generate exponentially suppressed couplings out of order-one Yukawas, after spontaneously symmetry breaking occurs. In addition, simulations were run in order to optimize the free parameters of the model, as well as to confirm its efficiency at fitting with experimental data. Lastly, a few processes involving Flavour Changing Neutral Currents were considered in the effective field theory regime as a means to stipulate a typical mass scale for these new particles.

In dieser Arbeit verwenden wir Flavourinvarianten, um systematisch Lösungen für Probleme des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik mit Hilfe verschiedener effektiver Feldtheorien (EFTs) zu untersuchen. In Teil I untersuchen wir die CP-Verletzung im SM und in der SM EFT erweitert mit leichten, sterilen Neutrinos. Wir konstruieren die erzeugende Menge von Flavourinvarianten im νSM, mit der jede Observable als Polynom der Invarianten, sowie die Bedingungen für die CP-Verletzung auf flavourinvariante Weise ausgedrückt werden können. Anschließend weiten wir die Ergebnisse auf die EFT-Wechselwirkungen für verschiedene Szenarien der Neutrinomassen aus. Hier ändert sich die Form der EFT-Flavourinvarianten und ihre Unterdrückung mit der Skala der neuen Physik drastisch mit der untersuchten Art der Neutrinomassen. In Teil II untersuchen wir verschiedene Aspekte der Symmetriebrechung in EFTs von axionartigen Teilchen (ALPs). Wegen ihrer pseudo-Nambu–Goldstone-Natur ist eine wesentliche Eigenschaft der ALPs ihre Shiftsymmetrie (ShS). Wir formulieren flavourinvariante Ordnungsparameter der ShS, die das Powercounting der EFT führender Ordnung bei einer leicht gebrochenen ShS korrekt implementieren lassen. Mit der Hilbertreihe zählen wir die Anzahl der Operatoren, die in der ALP EFT mit und ohne ShS oberhalb und unterhalb der elektroschwachen Skala auftreten, womit wir Operatorbasen konstruieren, die Beziehungen der ShS auf höhere Ordnung verallgemeinern und die CP-verletzenden Flavourinvarianten führender Ordnung konstruieren. Die Axionlösung des starken CP-Problems kann durch neue CP-Verletzung im Ultravioletten durch kleine Instantonen gestört werden. Mit einer SMEFT-Parametrisierung der neuen CP-Verletzung zeigen wir, dass neu konstruierte CP-verletzende SMEFT-Flavourinvarianten explizit in den Instantonberechnungen auftauchen und zur Systematisierung der Berechnungen verwendet werden können, wodurch wir bessere Limits für kleine Instanton- und Flavourszenarien ableiten. / In this thesis, we use flavour invariants to systematically study solutions to problems of the Standard Model (SM) of particle physics with different effective field theories (EFTs). In Part I, we study Charge–Parity (CP) violation in the SM and SM EFT extended with light sterile neutrinos. We construct the generating set of flavour invariants in the νSM allowing us to express any observable as a polynomial of those invariants. In addition, the invariants enable us to express the conditions for CP violation in a flavour-invariant way. We extend the results to the EFT interactions with different scenarios for the neutrino masses. Here, the form of the EFT flavour invariants and their suppression with the scale of new physics changes drastically depending on the nature of the neutrino masses. In Part II, we study different aspects of symmetry breaking in the EFTs of axionlike particles (ALPs). An essential property of ALPs is their shift symmetry (ShS) due to their pseudo-Nambu–Goldstone nature. We formulate flavour-invariant order parameters of ShS, which allow us to properly impose the power counting of the leading order EFT in the presence of a softly broken ShS. Using the Hilbert series, we count the number of operators appearing in the ALP EFT with and without a ShS above and below the electroweak scale. We use this information to construct operator bases, generalise the relations imposing ShS to higher orders and construct the leading order CP-odd flavour invariants. The axion solution to the strong CP problem can be spoiled by new CP violation in the ultraviolet in the presence of small instantons. Parameterising the new CP violation in the SMEFT, we show that newly constructed CP-odd SMEFT flavour invariants, featuring the strong CP angle, explicitly appear in the instanton computations and vice-versa that they can be used to systematise the computations. Using these results, we derive bounds on different small instanton and SMEFT flavour scenarios.

La désintégration radiative du méson B en méson étrange axiale, B--> K1(1270) gamma, a été observée récemment avec un rapport d'embranchement assez grand que B--> K* gamma. Ce processus est particulièrement intéressant car la désintégration du K1 dans un état final à trois corps nous permet de déterminer la polarisation du photon, qui est surtout gauche (droit) pour Bbar(B) dans le Modèle Standard tandis que des modèles divers de nouvelle physique prédisent une composante droite (gauche) supplémentaire. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est proposée pour déterminer la polarisation, en exploitant la distribution totale du Dalitz plot, qui semble réduire considérablement les erreurs statistiques de la mesure du paramètre de la polarisation lambda_gamma.Cependant, cette mesure de la polarisation nécessite une connaissance détaillée de la désintégration forte K1--> K pi pi : c'est-à-dire l'ensemble complexe des différentes amplitudes d'ondes partielles en plusieurs canaux en quasi-deux-corps ainsi que leurs phases relatives. Un certain nombre d'expériences ont été faites pour extraire ces informations bien qu'il reste divers problèmes dans ces études. Dans cette thèse, nous étudions en détail ces problèmes en nous aidant d'un modèle théorique. Nous utilisons ainsi le modèle 3P0 de création d'une paire de quarks pour améliorer notre compréhension des désintégrations fortes du K1.A partir de ce modèle nous estimons les incertitudes théoriques : en particulier, celle venant de l'incertitude de l'angle de mélange du K1, et celle due à l'effet d'une phase ``off-set'' dans les désintégrations fortes en ondes-S. Selon nos estimations, les erreurs systématiques se trouvent être de l'ordre de sigma(lambda_gamma)^th<20%. D'autre part nous discutons de la sensibilité des expériences futures, notamment les usines SuperB et LHCb, pour lambda_gamma. En estimant naïvement les taux annuels d'évènements, nous trouvons que l'erreur statistique de la nouvelle méthode est sigma(lambda_gamma)^stat<10%, ce qui est deux fois plus petit qu'en utilisant seulement les distributions angulaires simples.Nous discutons également de la comparaison avec les autres méthodes de mesure de la polarisation en utilisant les processus tels que B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma et Bs--> phi gamma, pour la détermination du rapport des coefficients de Wilson C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. Nous montrons un exemple de contraintes possibles sur C7gamma^‘eff/C7gamma^eff dans plusieurs scénarios de modèles supersymétriques. / Recently the radiative B-decay to strange axial-vector mesons, B--> K1(1270) gamma, was observed with a rather large branching ratio. This process is particularly interesting as the subsequent K1-decay into its three-body final state allows us to determine the polarization of the photon, which is mostly left(right)-handed for Bbar(B) in the Standard Model while various new physics models predict additional right(left)-handed components. In this thesis, a new method is proposed to determine the polarization, exploiting the full Dalitz plot distribution, which seems to reduce significantly the statistical errors on the polarization parameter lambda_gamma measurement.This polarization measurement requires, however a detailed knowledge of the K1--> K pi pi strong interaction decays, namely, the complex pattern of the various partial wave amplitudes into several possible quasi-two-body channels as well as their relative phases. A number of experiments have been done to extract all these information while there remain various problems in the previous studies. In this thesis, we investigate the details of these problems. As a theoretical tool, we use the 3P0 quark-pair-creation model in order to improve our understanding of strong K1 decays.Finally we try to estimate some theoretical uncertainties: in particular, the one coming from the uncertainty on the K1 mixing angle, and the effect of a possible ``off-set'' phase in strong decay S-waves. According to our estimations, the systematic errors are found to be of the order of sigma(lambda_gamma)^th<20%. On the other hand, we discuss the sensitivity of the future experiments, namely the SuperB factories and LHCb, to lambda_gamma. Naively estimating the annual signal yields, we found the statistical error of the new method to be sigma(lambda_gamma)^stat<10% which turns out to be reduced by a factor 2 with respect to using the simple angular distribution.We also discuss a comparison to the other methods of the polarization measurement using processes, such as B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma and Bs--> phi gamma, for the determination of the ratio of the Wilson coefficients C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. We show an example of the potential constraints on C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. in several scenarios of supersymmetric models.