Le LHC est un collisionneur de protons, situé 100 mètres sous la frontière franco-suisse, conçu pour fonctionner à sqrt(s) = 14 TeV. Les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV ont eu lieu au début de l'année 2010, ouvrant la chasse aux nouvelles particules telles le boson de Higgs, les partenaires supersymétriques... Ces premières données ont permis aussi de faire des mesures de précisions afin de vérifier le fonctionnement du détecteur et de contraindre certains paramètre du Modèle Standard. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en deux parties distinctes dont le but est de contraindre d'éventuels biais et sources d'erreurs systématiques pour permettre une première mesure précise de la masse du boson W au LHC. D'un point de vue technique, une analyse consistant à étudier les variations de température de l'argon liquide, dans lequel sont immergés les calorimètres a été menée afin de comprendre leur origine et de limiter leur contribution à l'incertitude sur l'échelle d'énergie des électrons. D'autre part, le travail a été focalisé sur les effets de polarisation, en développant et proposant trois mesures originales : la quantification de leur influence sur la détermination directe de MW au LHC, les mesures de fractions d'hélicité dans les données 2010 et une mesure de l'asymétrie de charge permettant de découpler les effets de PDFs des effets de polarisation, appliquée aux données 2010.

Le LHC est un collisionneur de protons, situé 100 mètres sous la frontière franco-suisse, conçu pour fonctionner à sqrt(s) = 14 TeV. Les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV ont eu lieu au début de l'année 2010, ouvrant la chasse aux nouvelles particules telles le boson de Higgs, les partenaires supersymétriques... Ces premières données ont permis aussi de faire des mesures de précisions afin de vérifier le fonctionnement du détecteur et de contraindre certains paramètre du Modèle Standard. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en deux parties distinctes dont le but est de contraindre d'éventuels biais et sources d'erreurs systématiques pour permettre une première mesure précise de la masse du boson W au LHC. D'un point de vue technique, une analyse consistant à étudier les variations de température de l'argon liquide, dans lequel sont immergés les calorimètres a été menée afin de comprendre leur origine et de limiter leur contribution à l'incertitude sur l'échelle d'énergie des électrons. D'autre part, le travail a été focalisé sur les effets de polarisation, en développant et proposant trois mesures originales : la quantification de leur influence sur la détermination directe de MW au LHC, les mesures de fractions d'hélicité dans les données 2010 et une mesure de l'asymétrie de charge permettant de découpler les effets de PDFs des effets de polarisation, appliquée aux données 2010. / The LHC is a proton collider, buried 100 meters below the franco-swiss border, built to work at sqrt(s) = 14 TeV. First collisions at sqrt(s) = 7 TeV occurred in the beginning of 2010, starting officially new particles hunting, like Higgs boson, supersymmetric partner... First data have also been used to do precision measurements in order to check detector performances and constrain many Standard Model parameters. The latter will be the main topic of this thesis.The work presented within this manuscript can be split in two different parts aiming to a common goal: reduce possible bias and systematic errors to provide a first precise W boson mass measurement at the LHC. On a technical aspect, an analysis has been done on the liquid argon that lies within calorimeter's cryostat, in order to understand temperature fluctuation and quantify its effect on the electron energy scale. On the other hand, attention has been focused on polarization effects, by developping and proposing three new measurements: quantification of their influence on MW measurement at the LHC, helicity fractions measurement in 2010 data and a charge asymmetry measurement that decouples PDF and polarization effects, on 2010 data.

Dans cette thèse la mesure du rapport des sections efficaces de production de bosons W et Z en association avec un jet au LHC est effectuée.Le rapport des sections efficaces est mesuré à l'aide des données issues de collisions proton-proton au LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS en 2010, correspondant à une luminosité intégrée d'environ 40 pb-1. L'analyse est effectuée à l’aide de bosons W et Z se désintégrant dans le canal muon.Il s'agit de la première mesure du rapport des taux de production de bosons W et Z associés à un jet réalisée à une si haute énergie dans le centre de masse, la mesure est la également la première effectuée au LHC. Cette mesure constitue un test très important des calculs théoriques perturbatifs et tire avantage des annulations partielles ou totales de diverses incertitudes expérimentales.La mesure sert aussi pour les recherches de nouveaux phénomènes de physique au LHC à contraindre les bruits de fonds ayant les mêmes signatures topologiques.La valeur du rapport de mesuré est présentée en fonction de différents seuils d’impulsion transverse de jet cumulatifs et est trouvé, a l’intérieur de la précision statistique, en bon accord avec prédictions pertubatives de QCD aux LO et NLO. / In this thesis an investigation of the ratio of the production cross section of W and Z bosons in association with one jet at LHC is performed.The cross-section ratio is measured with LHC proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV, collected by the ATLAS experiment in 2010, corresponding to an integrated luminosity of approximately 40 pb-1. The analysis is performed selecting W and Z bosons decaying in the muon channel.It is the first time the ratio of W and Z bosons production associated with one jet is measured at such a high center-of-mass energy, the measurement is the first one at the LHC. This measurement constitutes a very important test of perturbative theoretical calculations based on the advantage of the partial and full cancellations of various uncertainties.It also serves as constraining backgrounds with similar topological signatures in the search for new physics phenomena at the LHC. The measured ratio value is presented as a function of cumulative jet transverse momentum thresholds and found, within statistical precision, to agree well with perturbative LO and NLO QCD predictions.

Dans ce document, je présente mes contributions à une première mesure de la masse du boson W au LHC, exploitant 4.7 fb⁻¹ de données à 7 TeV, collectées en 2011. Je me concentre surtout sur le canal électronique, W → eν. Dans la première partie, j’aborde des études de performance du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, proposant une méthode innovante de correction des profils latéraux de dépôt d'énergie des électrons. Des études de différentes versions de Geant4 sont également abordées. Dans la deuxième partie, je détaille mes contributions après avoir introduit la méthode globale de mesure de la masse du boson W adoptée par ATLAS : je présente dans un premier temps le calcul d’incertitudes systématiques introduites par la modélisation des gerbes de partons dans Pythia8, et une optimisation de l’intervalle d’ajustement en utilisant l’impulsion transverse du lepton, dans le but de réduire les incertitudes correspondantes. Dans un deuxième temps, je présente une estimation de bruit de fond provenant de jets de partons, dans le canal W → eν, en développant une méthode basée sur les données, ainsi que les résultats correspondants, en termes de nombre d’événements et de fractions par rapport aux données. Les incertitudes sur la masse du W provenant de cette méthode sont aussi détaillées. Enfin, un état de l’art de l’analyse est montré, en détaillant les incertitudes dans le canal électronique, en fonction de la pseudo-rapidité et du bruit d’empilement. / In this document, I present my contributions to a first measurement of the W-mass in the LHC using 4.7 fb⁻¹ of 7 TeV data, taken in 2011. I focus on the electron decay channel, W → eν. In the first part, I discuss a study regarding the performance of the electromagnetic calorimeter of the ATLAS detector, presenting a novel method to correct the lateral profiles of electron energy deposit, along with various studies of the different Geant4 physics lists versions. In the second part, I introduce the global methodology for the W-mass measurement used in ATLAS, and discuss my contributions in details. I show in a first step the assessment of uncertainties coming from the parton shower modeling in Pythia8, and the optimization of the lepton's transverse momentum fitting range in order to reduce the systematic uncertainty. In a second step, I present an elaborate data-driven method for the estimation of the multijet background in the W → eν channel, as well as the corresponding results in terms of event yields and fractions with respect to the signal data. The corresponding uncertainties on the W-mass are also shown. Finally, I show the state of the art of the analysis, by gathering the full breakdown of the uncertainties, in bins of pseudorapidity and average pileup.

Le boson chargé W sera abondamment produit au Large Hadron Collider (LHC) dans des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 14 TeV: sa fréquence de production est 1 Hz à basse luminosité. Sa désintégration dans le canal électron aura une signature claire dans le détecteur ATLAS, marquée par un électron de haute impulsion transverse et une énergie transverse manquante élevée. Le détecteur ATLAS est un détecteur généraliste constitué d'un détecteur de traces, d'un calorimètre électromagnétique, d'un calorimètre hadronique et d'un spectromètre à muon. Entièrement installé dans sa caverne, il a enregistré des données avec le premier faisceau du LHC en septembre 2008.<br />Une première partie de la thèse consiste dans le développement d'une stratégie d'analyse pour la mesure de la section efficace de production inclusive du boson $W$ avec les premières données d'ATLAS, maximisant l'utilisation des données par rapport aux simulations Monte-Carlo. Les principales sources d'incertitude systématique sont mises en évidence et étudiées: une précision sur la mesure meilleure que 10% sera accessible dès la première phase de l'expérience. Une seconde partie est consacrée à l'alignement en temps des canaux de lecture des calorimètres à argon liquide, étape nécessaire pour atteindre les performances nominales. Des constantes de temps sont calculées à partir des données enregistrées en septembre 2008: elles permettront d'assurer un alignement en temps à 2-3 ns de tous les canaux pour les premières collisions

Les mesures de précision effectuées à LEP1 et au SLD sont en très bon accord avec les prédictions du Modèle Standard. Néanmoins, les couplages entre bosons W, Z et gamma, conséquence la plus directe d'une symétrie de jauge non abélienne, restaient très mal mesurés. La production de bosons W par paire, lors de la seconde phase de LEP, a donc constitué une opportunité unique pour étudier les paramètres du boson W ainsi que ses couplages aux autres bosons. Cette thèse présente deux parties, l'une liée à la reconstruction des événements WW, l'autre à l'analyse des couplages.<br /><br />La mesure précise de la masse du boson W (précision ~ 10-4) apparaît comme un objectif majeur de LEP2. La reconstruction des produits de désintégration des W, utilisée pour cette mesure, est très sensible aux imperfections de la simulation des données : il est donc essentiel de comprendre et de minimiser leur influence. Ce travail présente une étude détaillée des performances de la simulation des gerbes électromagnétiques dans le détecteur ALEPH. A partir de cette étude, il est proposé une nouvelle reconstruction des événements pour la mesure de la masse du boson W. Cette reconstruction est testée sur la mesure de l'énergie du LEP grâce au processus de retour radiatif au pic du Z.<br /><br />La mesure des couplages trilinéaires entre bosons W, Z et gamma est réalisée à partir de l'ensemble des données enregistrées par ALEPH entre 1997 et 2000. Les résultats sont ensuite combinés avec les trois autres expériences LEP, Cette mesure confirme de manière directe la nature non abélienne du secteur électrofaible. Aucune déviation du Modèle Standard n'est observée.

La mesure de la masse du boson W est un des enjeux majeurs de LEP2. Dans le canal<br />W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar, une erreur systématique importante provient des corrélations de<br />Bose-Einstein, pouvant induire une fragmentation non indépendante des deux W.<br /><br /><br />Cette thèse porte sur la mesure des corrélations de Bose-Einstein dans les désintégrations<br />de paires de bosons W. Nous nous attacherons notamment à la mesure de<br />telles corrélations entre pions issus de W différents.<br /><br /><br />La théorie du modèle standard et la description de l'expérience ALEPH feront<br />l'objet des deux premiers chapitres. Le travail d'analyse comporte la mise au point<br />d'une sélection d'événements W+ W- -> q1 q2bar l nu_l, quand le lepton est un muon ou un<br />électron, présentée au chapitre trois. La sélection des événements W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar<br />et W+ W- -> q1 q2bar tau nu seront également décrites dans cette partie. Les différents<br />modèles phénoménologiques simulant les corrélations de Bose-Einstein sont introduits<br />au chapitre quatre, en même temps que leur ajustement sur les données d'ALEPH<br />enregistrées à $\sqrt(s)$ = 91 GeV. Les prédictions de ces modèles sont ensuite comparées<br />aux résultats obtenus dans les désintégrations W+ W- observées à des énergies de<br />collisions de 172, 183 et 189 GeV. L'hypothèse de corrélations entre pions issus de<br />W différents dans le canal W+ W- -> q1 q2bar q3 q4bar est défavorisée à hauteur de 2.7<br />écarts standard.

Avec la recherche de nouvelles particules dont le Higgs, la mesure précise des caractéristiques du boson W était un des objectifs majeurs de l'accélérateur LEP. Par exemple, la production de 10.000 événements par expérience dans l'état final W+W- qui peuvent être complètement reconstruits permet de mesurer la masse du boson W avec une précision relative de 10^-4. Dans ce document, je m'intéresse plus particulièrement aux couplages du boson W aux particules Z et gamma. La théorie électrofaible basée sur le groupe de symétrie SU(2)_LxU(1)_Y prédit l'existence, à l'arbre, des vertex WWZ et WWgamma. Leur existence est confirmée par la mesure de la section efficace de production de paires de W au LEP. Les valeurs effectives de couplages sont modifiées par l'introduction de boucles de particules du Modèle Standard au niveau du vertex (effet de 10^-3). Ces boucles pouvant aussi inclure des particules au delà de ce modèle, elles induisent des déviations (de l'ordre de 10^-3 pour la plupart des modèles). Elles sont décrites par 14 paramètres complexes. Leur mesure permet la recherche indirecte de nouvelles particules. Toutefois, au LEP, le nombre d'événements n'est pas suffisant pour pouvoir les mesurer simultanément. L'analyse se restreint donc aux trois paramètres les plus prometteurs : g1z, kappa_gamma et lambda_gamma. Au LEP, les événements sensibles à ces couplages sont les états finaux WW et Wenu. Leurs sections efficaces de production totales et différentielles sont les variables utilisées pour extraire la valeur des couplages. Bien qu'ayant des précisions différentes, l'ensemble de leurs canaux de désintégrations sont analysés. La précision sur ces mesures est principalement apportée par l'analyse des distributions angulaires de l'état final WW ->l nu qq. L'ensemble des données collectées par l'expérience ALEPH sont traitées. Les résultats présentés sont les valeurs finales publiées par l'expérience. Une précision de l'ordre de 10^-2 est obtenue dominée par l'erreur statistique. La combinaison des mesures des quatre expériences LEP permet donc de réduire cette erreur d'un facteur 2. Ce document finit par une description des mesures qui seront faites aux prochains collisionneurs (LHC et collisionneurs linéaires e^+e^-). Les précisions attendues (~10^-4) donneront des indications sur la présence de nouvelles particules jusqu'à des échelles d'énergie de 10 TeV.

Cette thèse décrit une mesure de la masse du boson W avec le détecteur ATLAS. La mesure exploite les données enregistrées par ATLAS en 2011, a une énergie dans le centre de masse de 7 TeV et correspondant à une luminosité intégrée de 4.6 inverse femtobarn. Les mesures sont faites par ajustement aux données de distributions en énergie transverse des leptons charges et en masse transverse du boson W obtenues par simulation, dans les canaux électron et muon, et dans plusieurs catégories cinématiques. Les différentes mesures sont en bon accord et leur combinaison donne une valeur de m_W = 80371.1 ± 18.6 MeV. La valeur mesurée est compatible avec la moyenne mondiale des mesures existantes, m_W = 80385 ± 15 MeV, et l'incertitude obtenue est compétitive avec les mesures les plus précises réalisées par les collaborations CDF et D0. / This thesis describes a measurement of the W boson mass with the ATLAS detector based on the data-set recorded by ATLAS in 2011 at a centre-of-mass energy of 7 TeV, and corresponding to 4.6 inverse femtobarn of integrated luminosity. Measurements are performed through template fits to the transverse momentum distributions of charged leptons and to transverse mass distributions of the W boson, in electron and muon decay modes in various kinematic categories. The individual measurements are found to be consistent and their combination leads to a value of m_W = 80371.1 ± 18.6 MeV. The measured value of the W boson mass is compatible with the current world average of m_W = 80385 ± 15 MeV. The uncertainty is competitive with the current most precise measurements performed by the CDF and D0 collaborations.

Des événements contenant un lepton isolé et de l'impulsion transverse manquante ont été observés dans les données accumulées de 1994 à 1997 par le détecteur Hl (37 pb-1), installé sur le collisonneur électron-proton HERA. Cette topologie correspondrait dans le Modèle Standard à la production des bosons W et Z mais les événements observés ont une grande impulsion transverse hadronique, ce qui est peu probable dans cette interprétation. <br> Cette thèse est consacrée à la recherche d'événements présentant cette topologie en étendant l'espace de phase aux événements de basse impulsion transverse manquante et à l'ensemble des données H1 de HERA-1 (118.3 pb-1) afin d'améliorer la sensibilité au signal et la précision statistique. Les résultats de cette analyse ont montré la persistance d'un excès d'événements à grande impulsion transverse manquante du système hadronique. L'étude du canal hadronique de désintégration du W ne montre aucun excès de données mais sa sensibilité au signal est insuffisante pour contredire l'excès observé dans le canal leptonique. <br> Une interprétation possible de cet excès dans un contexte au-delà du Modèle Standard est la production anormale de quark top. La recherche de ce processus a été effectuée dans le cadre de cette thèse à partir d'une analyse classique en coupures et d'une méthode multivariable de maximum de vraisemblance. Les résultats, semblables pour les deux méthodes, montrent que certains des candidats observés sont compatibles avec la production anormale de quark top. Le canal hadronique de recherche du top ne présente pas d'excès de données mais sa sensibilité au signal ne permet toujours pas de contredire l'excès du canal leptonique. <br> La précision statistique de l'excès observé n'est pas suffisante pour conclure sur la présence de nouvelle physique et des limites sur le couplage anormal au vertex t u gamma ont pu être déduites.