Ce travail de thése concerne la recherche du boson de Higgsa laide de canaux de désinégration contenant des photons dans létat final, baée sur les données enregistrées par le détecteur ATLAS en 2011 et 2012, a une énergie dans le centre de masse des collisions proton-proton center-mass-energy et 8 TeV. La sélection deséévenements, les principaux bruits de fond, les propriéés du signal, la discrimination statistique entre signal et bruits de fond, ainsi que l'interprétation des ésultats en terme de boson de Higgs du moéle standard sont discués. Dans le canal de désinégration H to gamma+gamma, un excés par rapport au niveau de bruit de fond est clairement visible a une masse mH=126,8 +- 0,2(stat) +- 0,7(syst) GeV et avec une significativité locale de7,4 sigma. En revanche, dans le canal de désinégration rareH to Z+gamma, aucun excés n'est obseré dans la feétre de masse allant de 120 a 150 GeV. Ce résultat est interpéé comme une limiteégalea 11 fois la valeur de la section efficace de production pp to H to Z+gamma prédite par le moéle standard pour une masse du boson de Higgs de mH = 125,5 GeV, proche de celle mesurée dans les canaux engamma+gamma et en quatre leptons. Une reconstruction et une identification efficace des photons, ainsi qu'une connaissance précise des performances du systéme de éclenchement et de l'algorithme d'identification, sont des aspects importants de ces mesures. Une grande partie de ce manuscrit est ainsi consacréea la description de l'optimisation de ces performances et des activités de mesures que j'ai réalisées pendant ces trois années. / This thesis focuses on the searches for the Higgs boson in events with photons in the final states, using the full proton-proton collision data collected by ATLAS at center-mass-energy of 7 TeV and 8 TeV in 2011 and 2012.Higgs boson decays to photon pairs or to a photon and a Z boson decaying to di-electrons or di-muons are investigated. The event selection, the main backgrounds, the signal properties, and the statistical discrimination between the signal and background in data and the interpretation of the results in terms of a Standard Model Higgs boson are discussed. In the H decays to diphoton channel a clear excess over the background is seen at a mass of mH= 126.8 +- 0.2(stat) +- 0.7(syst) GeV, with a local significance of 7.4 sigma. In the rare decay channel H decays to Z+gamma no evidence of excess over the background is observed in the mass range 120-150 GeV, and, for a Higgs boson mass near the one obtained from the combined mass measurement in the diphoton and 4-lepton final states, mH=125.5 GeV, an upper limit of 11 times the SM prediction, at 95% confidence level, is set on the production cross section times the H to Z+gamma cross section. One of the most important ingredient for these measurements is the efficient reconstruction and identification of photons, and a precise knowledge of the trigger and identification performance. A significant part of the document is thus devoted to the photon performance optimisation and measurement activities that I carried on in the past three years.

Le futur collisionneur du CERN (le LHC) possède un fantastique potentiel de découverte à condition d'avoir une prédiction quantitative de la QCD. Pour ce faire, il est nécessaire d'effectuer des calculs dans l'approximation NLO de manière à réduire la dépendance de la section efficace en fonction des échelles non physiques. Pour obtenir des résultats dans cette approximation, il faut calculer les sections efficaces des sous-processus partoniques contribuant à la réaction étudiée à l'ordre le plus bas ainsi que les corrections virtuelles (une boucle) et réelles. Le calcul des corrections virtuelles reste très compliqué si le nombre de particules externes est supérieur à quatre ou si les particules externes (internes) sont massives.<br />Dans cette thèse est proposée une méthode automatique pour effectuer les calculs à une boucle et à cinq pattes, et qui peut être généralisée aux cas de particules massives.<br />Dans une première partie, nous décrirons divers outils et méthodes nécessaires à de tels calculs. Nous les appliquerons ensuite au calcul de la réaction (gluon + gluon -> photon + photon + gluon), qui intéresse les expérimentateurs des expériences ATLAS et CMS comme bruit de fond à la recherche du Higgs, notamment pour décrire correctement la queue de la distribution transverse du boson de Higgs. Sera alors présenté le résultat explicite de cette amplitude pour chaque configuration d'hélicités sous une forme compacte et une représentation clairement invariante de jauge. Nous terminerons par une étude phénoménologique de cette réaction.

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.

Une recherche indépendante de saveur du boson de Higgs neutre dans les canaux à quatre jets, e+e- -> h(hadrons)Z(qqbar), avec énergie manquante, e+e- -> h(hadrons)Z(nu nubar) et leptonique, e+e- -> h(hadrons)Z(e+e-, µ+µ-) est effectuée.<br> Les données analysées ont été enregistrées par le détecteur ALEPH auprès du LEP durant les années 1998, 1999 et 2000, avec des énergies dans le centre de masse situées entre 189 et 210 GeV.<br><br> Les sélections dans les canaux à quatre jets et avec énergie manquante sont basées sur la méthode multivariable des réseaux de neurones, qui combine de façon non linéaire les différentes informations qui décrivent le signal. Afin d'obtenir une sélection indépendante de la saveur des produits de désintégration du boson de Higgs, ces informations sont des variables purement topologiques et cinématiques.<br> La sélection dans le canal leptonique est réalisée par une succession de coupures qui tirent profit de la très bonne identification des électrons et des muons.<br><br> En appliquant ces sélections aux données enregistrées par ALEPH, aucun excès d'événements révélant la présence d'un signal n'est observé. Ceci permet de restreindre les valeurs permises de la masse du boson de Higgs neutre, sa section efficace et son rapport d'embranchement en hadrons.<br> Ce résultat est exprimé par une zone d'exclusion à 95% de niveau de confiance dans un espace à deux dimensions, à partir duquel il est possible de vérifier si un modèle particulier est exclu ou non par l'expérience.<br><br> Ce résultat général est interprété dans le cadre du Modèle Standard et du MSSM. Dans le cadre du Modèle Standard, une limite inférieure de 109.5 GeV/c2 sur la masse du boson de Higgs à 95% de niveau de confiance est obtenue.

Deux analyses de physique des particules à hautes énergies sont présentées dans ce manuscrit de thèse, utilisant des événements avec deux leptons de charges opposées et de l'énergie transverse manquante. Ces événements sont sélectionnés parmi 9.7 fb-1 de données totales de collisions pp enregistrées par le détecteur DØ auprès du collisionneur TeVatron du Fermilab à √s=1.96 TeV.La première analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en H→WW→μνμν. Aucun excès significatif au-dessus de l'attente pour le bruit de fond n'est observé.Des limites supérieures sur la section efficace de production du boson de Higgs sont donc calculées dans le cadre du modèle standard mais aussi dans l'hypothèse de l'existence d'une quatrième génération de fermions et dans le contexte de couplages fermiophobiques du boson de Higgs.Pour valider la méthodologie de cette recherche, la section efficace de production de la paire de bosons W est mesurée.La seconde analyse est la mesure de l'asymétrie avant-arrière de production de la paire tt. Il s'agit de la première mesure dans le canal dileptonique de l'expérience DØ. Dans ce contexte, une méthode inédite de reconstruction de la cinématique de la paire est utilisée (méthode des éléments de matrice) pour donner une mesure brute de l'asymétrie avant-arrière. A l'aide d'une méthode de calibration dédiée, nous donnons une mesure finale de AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).

Ce travail de thése concerne la recherche du boson de Higgsa laide de canaux de désinégration contenant des photons dans létat final, baée sur les données enregistrées par le détecteur ATLAS en 2011 et 2012, a une énergie dans le centre de masse des collisions proton-proton center-mass-energy et 8 TeV. La sélection deséévenements, les principaux bruits de fond, les propriéés du signal, la discrimination statistique entre signal et bruits de fond, ainsi que l'interprétation des ésultats en terme de boson de Higgs du moéle standard sont discués. Dans le canal de désinégration H to gamma+gamma, un excés par rapport au niveau de bruit de fond est clairement visible a une masse mH=126,8 +- 0,2(stat) +- 0,7(syst) GeV et avec une significativité locale de7,4 sigma. En revanche, dans le canal de désinégration rareH to Z+gamma, aucun excés n'est obseré dans la feétre de masse allant de 120 a 150 GeV. Ce résultat est interpéé comme une limiteégalea 11 fois la valeur de la section efficace de production pp to H to Z+gamma prédite par le moéle standard pour une masse du boson de Higgs de mH = 125,5 GeV, proche de celle mesurée dans les canaux engamma+gamma et en quatre leptons. Une reconstruction et une identification efficace des photons, ainsi qu'une connaissance précise des performances du systéme de éclenchement et de l'algorithme d'identification, sont des aspects importants de ces mesures. Une grande partie de ce manuscrit est ainsi consacréea la description de l'optimisation de ces performances et des activités de mesures que j'ai réalisées pendant ces trois années.

Ce travail de thèse concerne la recherche du boson de Higgs à l'aide de canaux de désintégration contenant des photons dans l'état final, basée sur les données enregistrées par le détecteur ATLAS en 2011 et 2012, à une énergie dans le centre de masse des collisions √ proton-proton s = 7 et 8 TeV. La sélection des évévenements, les principaux bruits de fond, les propriétés du signal, la discrimination statistique entre signal et bruits de fond, ainsi que l'interprétation des résultats en terme de boson de Higgs du modèle standard sont discutés. Dans le canal de désintégration H → γγ, un excès par rapport au niveau de bruit de fond est clairement visible à une masse m H = 126, 8 ± 0, 2(stat) ± 0, 7(syst) GeV et avec une significativité locale de 7, 4σ. En revanche, dans le canal de désintégration rare H → Zγ, aucun excès n'est observé dans la fenêtre de masse allant de 120 à 150 GeV. Ce résultat est interprété comme une limite égale à 11 fois la valeur de la section efficace de production pp → H → Zγ prédite par le modèle standard pour une masse du boson de Higgs de m H = 125, 5 GeV, proche de celle mesurée dans les canaux en γγ et en quatre leptons. Une reconstruction et une identification efficace des photons, ainsi qu'une connaissance précise des performances du système de déclenchement et de l'algorithme d'identification, sont des aspects importants de ces mesures. Une grande partie de ce manuscrit est ainsi consacrée à la description de l'optimisation de ces performances et des activités de mesures que j'ai réalisées pendant ces trois années.

Le Modèle Standard est le cadre qui permet de décrire les interactions entre les particules et leur dynamique. Le mécanisme de Higgs est une solution pour introduire naturellement un terme de masse dans la description théorique de ce modèle. Après la rupture spontanée de la symétrie électrofaible, une nouvelle particule scalaire massive est introduite, le boson de Higgs. Comme celui-ci n'a pas encore été découvert, la recherche du boson de Higgs est effectué au Tevatron, qui est un collisionneur pp ̄ à une énergie au centre de masse de 1.96 TeV. Pour MH = 135 GeV, le mode de désintégration dominant est H → bb ̄. L'analyse présentée dans ce document est axée sur le domaine en masse 100 < MH < 150 GeV, dans le canal où le boson de Higgs est produit en association avec un boson W se désintègrant en un lepton chargé (électron ou muon) et un neutrino. L'étude de cet état final repose sur les informations recueillies auprès de toutes les parties du détecteur DØ. Un résultat basé sur 5.3 fb−1 de collisions récoltées durant le RunII du Tevatron est présenté ici. Afin d'augmenter la sensibilité au signal, l'analyse est séparée en sous-canaux en fonction de la saveur du lepton considéré, le nombre de jets dans l'état final, le nombre de jets identifiés comme provenant de quarks b et par périodes de prise de données. Après sélection des événements, une technique d'analyse multivariée est utilisée pour séparer les événements de type signal du bruit de fond physique et instrumental attendu. Comme un bon accord entre les données et simulation est observé, une limite supérieure observée (attendue) de 4.5 (4.8) est placée (pour MH = 115 GeV) sur le rapport entre la section efficace pp ̄ → W H multipliée par le rapport d'embranchement H → bb ̄ et la prédiction du Modèle Standard, à 95% de niveau de confiance. Alors que les dernières données du Tevatron sont en cours d'analyse, les perspectives de recherche au Tevatron sont exposées ici. Les améliorations futures pour la publication finale sur la recherche dans le canal WH → lνbb ̄ sont présentées. La masse invariante dijet étant la variable la plus discriminante, l'amélioration de la résolution du pic de masse est un enjeu important, ainsi que l'optimisation de l'utilisation des outils d'identification de jets de quarks b et du discriminant final. Une amélioration significative est obtenue au niveau de la limite.

Malgré les nombreux succès du Modèle Standard de la physique des particules, plusieurs éléments montrent qu'il ne s'agit que d'une théorie effective à basse énergie. En effet, la masse des neutrinos et la matière noire ne sont pas expliqués dans ce modèle, qui ne prend pas en compte non plus la gravitation dont la version quantique n'a toujours pas été établie. De plus, les divergences quadratiques des corrections à la masse du boson de Higgs dans ce modèle pose un problème de naturalité. Tous ces problèmes indiquent la nécessité de trouver une nouvelle physique, qui doit être décrite par une extension du Modèle Standard. Une des possibilités est d'ajouter une nouvelle symétrie de l'espace-temps, la Supersymétrie, reliant les bosons et le fermions. Dans son extension miminale, la Supersymétrie permet déjà de résoudre le problème de la matière noire en proposant un candidat naturel, le neutralino, et de supprimer les dangereuses corrections quadratiques à la masse du boson de Higgs.Dans cette thèse, les travaux se sont concentrés sur une extension supersymétrique non minimale du Modèle Standard, le NMSSM. Afin de confronter la théorie aux expériences, il est nécessaire de calculer précisément les différentes observables. Ces calculs étant complexes, il est naturel de les automatiser, ce qui a été réalisé à l'aide du code SloopS. Avec ce code, nous avons pu dans un premier temps nous intéresser à la désintégration du boson de Higgs en un photon et un boson Z. Ce mode de désintégration a la particularité d'être généré directement à une boucle, ce qui le rend sensible à la présence de nouvelles particules. Il a commencé à être mesuré lors du Run 1 du LHC et les données vont continuer à s'accumuler avec le Run actuel (Run 2). La possibilité d'une déviation du signal mesuré avec celui prédit par le modèle Standard, requiert donc une analyse théorique préliminaire, que nous avons effectué dans le cadre du NMSSM. Nous nous sommes ensuite intéressé aux corrections radiatives pour des processus plus généraux.Il a d'abord fallu réaliser et implémenter la renormalisation dans SloopS afin de réguler les divergences apparaissant dans ces calculs à une boucle. Puis nous avons pu utiliser le modèle renormalisé pour calculer les corrections radiatives aux masses et largeurs de désintégration des différentes particules supersymétriques et des bosons de Higgs, en comparant les résultats obtenus dans différents schémas de renormalisation. / Although the Standard Model has been very successful so far, it presents several limitations showing that it is only an effective low energy theory. For example, the neutrino masses or dark matter are not predicted in this model. Gravity is also not taken into account and we expect that it plays a quantum role at energies around the Planck mass. Moreover, radiative corrections to the Higgs boson mass suffer from quadratic divergences. All these problems underline the fact that new physics should appear, and this has to be described by an extension of the Standard Model. One well-motivated possibility is to add a new space-time symetry, called Supersymmetry, which link bosons and fermions. In its minimal extension, Supersymmetry can already solve the dark matter paradox with a natural candidate, the neutralino, and provide a cancellation of the dangerous quadratic corrections to the Higgs boson mass.In this thesis, we focussed on the Next-to-Minimal SuperSymmetric extension of the Standard Model, the NMSSM. To compare theoretical predictions with experiments, physical observables must be computed precisely. Since these calculations are long and complex, automatisation is desirable. This was done by developping SloopS, a program to compute one-loop decay width and cross-section at one-loop order in Supersymmetry. With this code, we first analysed the decay of the Higgs boson in a photon and a Z boson. This decay mode is induced at the quantum level and thus is an interesting probe of new physics. Its measurement has been started during Run 1 of the LHC and is continued now in Run 2. The possibility of deviation between the measured signal strength and the one predicted by the Standard Model motivates a careful theoretical analysis in beyond Standard Models which we realised within the NMSSM. Our goal was to compute radiative corrections for any process in this model. To cancel the ultraviolet divergences appearing in higher order computations, we had to carry out and implement the renormalisation of the NMSSM in SloopS. Finally, it was possible to use the renormalised model to compute radiatives corrections to masses and decay widths of Higgs bosons and supersymmetric particles in the NMSSM and to compare the results between different renormalisation schemes.

Suite à la découverte du boson de Higgs en Juin 2012 au Large Hadron Collider, l’accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse, l’étude du secteur scalaire des particules élémentaires a connu un regain d’intérêt. En particulier, le boson de Higgs étant une particule clef au sein du Modèle Standard des particules, les expérimentateurs étudient ses propriétés avec beaucoup de soin.Le Modèle Standard, dont le but est de décrire les interactions entre particules élémentaires, n’est cependant pas une théorie complète. En effet, en plus de quelques problèmes d’ordre théorique, certains phénomènes observés expérimentalement ne peuvent pas être expliqués par ce modèle. Les théoriciens en physique des particules cherchent donc à établir une nouvelle théorie venant le compléter et permettant d’expliquer pleinement les observations expérimentales.Cette thèse est axée sur l’étude du secteur scalaire de modèles au-delà du Modèle Standard des particules. J’ai plus particulièrement travaillé sur un modèle à deux doublets de Higgs – modèle purement effectif mais qui peut être inclus dans d’autres théories plus abouties – ainsi que sur un modèle construit comme une combinaison entre les théories déjà très proches de techicouleur et de Higgs composites, et ce dans le cas particulier d’une brisure de symétrie SU (4) ? Sp(4). J’ai étudié ce dernier modèle d’un point de vue effectif mais la théorie complète est capable depallier un certain nombre des limitations du Modèle Standard.Chacun de ces modèles inclut un secteur scalaire plus riche que celui du Modèle Standard et contient au moins une particule pouvant être assimilée au boson de Higgs découvert au LHC. J’ai réalisé l’étude phénoménologique de chacun de ces modèles et les ai confrontés à des contraintes tant théoriques qu’expérimentales – en particulier celles obtenues grâce aux études les plus récentes, portant sur le boson de Higgs et sur de potentielles particules scalaires additionnelles, réalisées par les équipes du LHC. Cela m’a permis de contraindre les paramètres libres des modèles et en particulier de restreindre les valeurs possibles pour la masse des autres particules scalaires, permettant de mieux cibler les zones où ces nouvelles particules, si elles existent, pourraient être détectées au LHC.Ces deux théories, bien que très contraintes par les données expérimentales, ne sont toujours pas exclues par les contraintes expérimentales les plus récentes / Following the discovery of the Higgs boson in June 2012 at the Large Hadron Collider, the particle collider located beneath the France-Switzerland border, interest in the study of the scalar sector in elementary particle physics significantly increased. In particular, as the Higgs boson plays a very special role in the Standard Model of particle physics, experimentalists study its properties with great care.The goal of the Standard Model is to describe the interactions between elementary particles. However the theory is not quite complete. Indeed, in addition to some purely theoretical problems, a number of experimental observations cannot be explained by the Standard Model. Theorists are therefore looking for a more comprehensive theory able to fully explain the observations.This thesis is based on the study of the scalar sector of two different extensions of the Standard Model of particle physics. I have worked on the Two-Higgs Doublet Model – this model is purely effective but can be included in more comprehensive theories – as well as on a model based on a combination of Technicolor and Composite Higgs theories in the framework of the SU (4) ? Sp(4) symmetry breaking pattern. I studied the latter via an effective approach but the full theory is able to get rid of some of the pitfalls of the Standard Model.These two models include a scalar sector that is richer than the one found in the Standard Model and contain at least one particle which can be assimilated to the Higgs boson discovered at the LHC.I performed a phenomenological study for these two models and tested them against both theoretical and experimental constraints. In particular I used the latest studies on the 125 GeV Higgs boson and on possible additional scalars performed by the ATLAS and CMS collaborations. The application of all these constraints drastically reduced the available parameter space of the two models. In particular it narrowed the possible mass range of the additional scalars, allowing to know more accurately where to search them experimentally in order to prove or rule out their possible existence.As of today the two theories I worked on are still not excluded by the latest experimentaldata