Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique. / Discovered in 1995 at Fermilab, top quark is the last quark discovered. The measurement of its properties allows to test Standard Model predictions and to constraint Higgs boson mass. Due to its properties, the top quark is a privileged partner in the search for New Physics particles expected around TeV scale. This thesis, performed using the ATLAS detector at LHC, describes the different methods developed in order to measure precisely the top quark mass in its semileptonic decay. Two reconstruction methods are presented as well as a dedicated one based on Boosted Decision Trees. Its performances are quantified The precise measurement of the top quark mass needs a deep understanding of the jet energy scale. This thesis presents two strategies to calibrate light and b jets to the partonic scale. The performance of a kinematical fit applied to top mass measurement are presented. A precise measurement of the top quark mass is done using a calibrated scale to the partonic level.

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens et physiciennes des particules tentent de trouver des signes de nouvelle physique. Bien que le modèle standard décrivant les forces et particules aient été confirmé par les expériences telles que ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ce modèle décrit seulement 5% de la matière de notre Univers. Face à l’absence d’excès dans les recherches concentrées sur des modèles de nouvelle physique, l’intelligence artificielle pourrait être la solution. Ce mémoire s’inscrit dans une perspective novatrice de recherche générale de nouvelle physique indépendante des modèles théoriques dans les données du détecteur ATLAS, par l’utilisation de l’apprentissage machine. Ici, nous nous intéressons à l’application de réseaux de neurones dans les données de simulation de collision proton-proton à \sqrt{s} = 13 TeV du détecteur ATLAS. Nous étudierons la performance d’auto-encodeurs variationnels dans les jets boostés, ces jets qui pourraient cacher des signes de nouvelle physique. Pour analyser la performance de notre réseau, nous entraînons celui-ci sur les quadri-vecteurs de jets issus de gluons et de quarks légers. Nous tentons de retrouver un signal test, les jets issus de quarks top boostés, dans les données de simulation en effectuant des sélections sur les scores d’anomalie retournés par le réseau. Nos modèles d’auto-encodeurs variationnels atteignent une bonne discrimination entre le bruit de fond et le signal du quark top. Nous devrons toutefois améliorer le rejet du bruit de fond pour purifier notre signal en fonction de nos sélections. / Since the discovery of the Higgs boson in 2012, particle physicists are searching for signs of new physics. Although the standard model describing forces and particles has been confirmed by experiments like ATLAS at the Large Hadron Collider (LHC), it only describes 5% of the matter of the universe. Facing the absence of excess in searches for new physics model, artificial intelligence could be the solution. This master thesis is part of a novel general model-independent search for new physics in the ATLAS detector data using machine learning. Here, we are interested in the application of neural networks in \sqrt{s} = 13 TeV proton-proton collision ATLAS simulation data. We study the performance of variational auto-encoders in boosted jets, who might be hiding signs of new physics. To analyze our network performance, we train the network on jets four-vectors coming from gluons and light quarks. We try to find a test signal, boosted top quark jets, in our simulation data by applying selections on the anomaly scores returned by our network. Our variational auto-encoder reach a good discrimination between the background and the top quark signal. However, we need to improve background rejection to purify our signal as a function of our selections.

Le travail de recherche réalisé au cours de cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’expérience ATLAS, l’une des quatre grandes expériences auprès du collisionneur LHC. Il fut principalement dédié à la recherche de nouveaux bosons de jauge lourds chargés, appelé W' et prédits par de nombreuses extensions du Modèle Standard de la physique des particules. Ce manuscrit présente une recherche du boson W' se désintégrant en un quark top et un quark beau à travers une approche de couplage effectif, dans des états finals de désintégrations leptoniques du quark top. Cette recherche fut réalisée avec 20.3 fb−1 de données de collision proton-proton, produits par le LHC à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV et collectées par le détecteur ATLAS en 2012. Plusieurs scénarios d’études sont envisagés où le boson W' se couple soit à des fermions de chiralité gauche (W'L) soit de chiralité droite (W'R). Une technique d’analyse multivariée utilisant des arbres de décision boostés (BDT) est utilisée afin de mettre évidence un excès de processus de signal dans les données enregistrées. Aucun excès n’est observé au-delà des incertitudes expérimentales pour la statistique de données analysées jusque-là. Une analyse statistique est réalisée afin d’extraire des limites d’exclusion sur la masse et la section efficace de production de la particule. Des masses inférieures à 1.92, 1.80 et 1.70 TeV furent exclues respectivement pour des bosons W'R et W'L, en tenant compte ou non d’effets d’interférence. Les limites d’exclusion sur les sections efficaces de production sont réinterprétées en matière de limite d’exclusion sur le couplage effectif g'/g de la particule. Les limites d’exclusion les plus basses observées sur le rapport g'/g, respectivement de 0.20 et 0.16 pour les recherches de bosons W'R et W'L, furent obtenues pour une masse de boson W'R/L de 0.75 TeV. Une recherche de bosons de Higgs chargés se désintégrant en un quark top et un quark beau est également présentée dans ce manuscrit. Cette dernière repose sur une approche de couplage effectif décrivant un modèle à deux doublets de Higgs de type II. Cette analyse réutilise l’infrastructure développée pour la recherche du boson W' est complétée d’études phénoménologiques liées au calcul de la section efficace de ce processus ainsi que sur la caractérisation des effets de largeur de la résonance recherchée. Les premiers résultats obtenus sur la limite d’exclusion sur la section efficace de production pp → H+→ tb montrent toutefois que cette analyse ne semble pas être en mesure d’exclure un signal de boson H+ pour l’ensemble des scénarios théoriques considérés, compte tenu des faibles sections efficaces de production prédites. En parallèle de ces activités, des développements ont été réalisés pour la simulation rapide du système de calorimétrie FastCaloSim du détecteur ATLAS afin de pallier ses limitations. En particulier, un nouveau modèle de paramétrisation et de simulation rapide de la réponse en énergie du système de calorimétrie est présenté dans ce manuscrit. Ce modèle, toujours en développement, montre des résultats très encourageant pour la simulation d’événements à pion unique et permet de réduire considérablement l’empreinte mémoire de la paramétrisation en comparaison avec des versions précédentes de FastCaloSim, tout en permettant aux futures reparamétrisations d’être plus rapides et automatisées. / The research work carried out during this Ph.D thesis has been performed in the context of the ATLAS experiment, one of the four major LHC experiments, and was primarily dedicated to the search for a new chaged heavy gauge boson, called W' and predicted by many extensions of the Standard Model of particle physics. This manuscript presents a search for W' boson decaying into a top and a bottom quark through an effective coupling approach, in the lepton plus jets final states. This search is performed with 20.3 fb−1 of proton-proton collision data, produced by the LHC with a center-of-mass energy of 8 TeV and collected by the ATLAS detector in 2012. Several scenarios are considered where the W boson can couple to left-handed (W'L) or right-handed (W'R) fermions. A multivariate techniques based on boosted decision trees is used to search for an excess of W signal process in the recorded data. No excess is observed beyond the experimental uncertainties for the data analysed so far. A statistical analysis is performed in order to extract exclusion limits on the mass and the production cross section of the particle. Masses below 1.92, 1.80 and 1.70 TeV are excluded, respectively for W'R and W'L bosons taking into account or not interference effects. These exclusion limits on the production cross section are also reinterpreted in terms of exclusion limits on the effective coupling g'/g of the particle. The lowest exclusion limits observed on the ratio g'/g are equal to 0.20 and 0.16, respectively, for W'R and W'L searches, and are obtained for a W'R/L mass of 0.75 TeV. A search for charged Higgs boson decaying into a top and a bottom quark is presented in this manuscript. This search is based on an effective coupling approach describing a type II Two Doublet Higgs Model. It reuses the analysis infrastructure developed for the W' search and is completed by phenomenological studies related to the production cross section calculation for the process and the characterisation of the resonance width effects affecting the analysis. Preliminary results on the excluded cross section limits pp → H+→ tb show that the analysis is not able to exclude a signal a H+ boson for all theoretical scenarios considered, due to low production cross sections predicted. In parallel of these activities, several developments have been performed on the fast simulation of the ATLAS calorimeter system in order to overcome its limitations. In particular, a new parametrisation and fast simulation model for the energy response of the calorimeter is presented in this manuscript. This model, still under development, shows encouraging results for simulated single pion event and allows to reduce considerably the memory footprint of the parametrisation compared to previous versions of FastCaloSim, while enabling future reparametrisations to be faster and automated.