Le futur accélérateur linéraire à électrons est un nouveau défi technologique pour la communauté scientifique de la physique des particules. Le cahier des charges de l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique comporte plusieurs points critiques. En effet, les contraintes liées au coût, 34 millions de diodes silicium de $1cm^2$, à l'encombrement, $0,2cm^3$ par puce de 128 voies, à la consommation, <5mW par voie, et à la dynamique, rapport de 32.000 entre le plus grand signal et le bruit, impliquent la mise en oeuvre d'une électronique intégrée. Nous proposons une solution de traitement de l'information qui associera sur la même surface de silicium la partie traitement analogique et la conversion analogique numérique. Plusieurs prototypes de circuits réalisés dans une technologie CMOS 0,35microns nous ont permis de valider des éléments de l'architecture globale du système. Cette électronique se composera d'un préamplificateur de charge suivi d'un système multi-gain avec suppression en ligne des évènements non significatifs et d'un convertisseur analogique numérique sur 10bits. La mise en forme composant le système multi-gain sera réalisée avec un intégrateur à remise à zéro. Les résultats obtenus, qui répondent aux spécifications en temps et en dynamique du cahier des charges, confirment, à présent, la nécessité de mettre en place un système d'alimentation pulsé

Les expériences de physique des particules associées au collisionneur LHC devront traiter une collision toutes les 25 ns sur plusieurs centaines de milliers de voies de mesure. La quantité de données produites est considérable.<br> Sur l'expérience LHCb une unité de décision en effectue une première sélection. Nous proposons une solution pour sa réalisation. Il s'agit d'une électronique numérique pipelines à 40 MHz et réalisée en composants programmables avec des interfaces LVDS. Une première version du banc de test est présentée afin de générer des stimuli à la cadence de 40 MHz pour des mots jusqu'à 512 bits.<br> Le preshower fait partie du système calorimétrique de LHCb. Il est composé de 6000 voies de mesure. Le signal physique est d'abord mis en forme grâce à des intégrations analogiques sur 25ns sans temps mort (ASIC). Au bout de 20m de câble, les valeurs d'intégrales (en tension) sont numérisées puis traitées sur une centaine de cartes frontales.<br> La réalisation de prototypes de la partie de traitement des données ont permis de mettre en concurrence une technologie programmable et une technologie ASIC (AMS 0,35 µm) et de prendre en compte les contraintes fortes en terme de nombre de voies de mesure par carte (128 demi-voies) et de résistance aux radiations.

Le sujet de cette thèse est la recherche des sélectrons, neutralinos et squarks dans le cadre du modèle GMSB (Gauge Mediated Supersymmetry Breaking) avec le détecteur CMS et l?étude de la compression sans pertes des données. Avec une fréquence de 40 MHz des croisements des faisceaux de protons environ 10^9 interactions proton-proton par seconde se produisent à la luminosité nominale de 10^34 cm-2 s-1. La définition du système de déclenchement et d?acquisition de CMS impose des conditions très restrictives aux données sortantes. La fréquence moyenne des événements sortants doit être inférieure à 100 kHz. La taille moyenne d?un événement provenant du calorimètre électromagnétique doit être inférieure à 100 kilo octets. Cette thèse résumera dans quelle mesure il est possible d?appliquer aux données ainsi obtenues une réduction du volume des données supplémentaire en utilisant les techniques offertes par la compression de données sans pertes. Les grands objectifs du programme de physique du LHC est de comprendre l?origine des masses des particules et de tester l?hypothèse de l?existence d?une symétrie fondamentale entre les fermions et les bosons, la supersymétrie (SUperSYmmetry en anglais d?où SUSY). Dans cette thèse nous montrons comment expérimentalement nous pouvons rechercher, dans le cadre des modèles GMSB (Gauge Mediated SUSY Breaking), les particules supersymétriques au LHC.

Le thème central de la thèse est la mesure de la section efficace de production des électrons venant de la désintégration des quarks lourds (b et c) avec l'expérience ATLAS dans les collisions proton-proton à sqrt(s)=7 TeV au LHC. La calibration du calorimètre électromagnétique et la reconstruction des électrons jouent un rôle cardinal dans l'analyse développée dans cette thèse. Ces thématiques sont traitées dans la première partie du manuscrit. L'étude des systématiques liées à la variation des constantes de calibration paramétrant la chaîne de lecture du calorimètre et qui affectent la reconstruction de l'énergie des cellules est présentée. La description des procédures de reconstruction des événements dans le détecteur ATLAS est ensuite traitée. Les cas de mauvaise reconstruction sont abordés et une étude de l'estimation du taux des faux leptons dans des événements multi-jets est présentée. La deuxième partie de la thèse est dédiée à la mesure de la section efficace de production des électrons issus de la désintégration des quarks lourds. Un panorama des prédictions théoriques est présenté en introduction à la mesure expérimentale qui a été réalisée avec un lot de données correspondant à une luminosité intégrée de 1.3 pb-1 enregistré pendant la période de démarrage d'ATLAS. Outre son intérêt théorique, cette mesure permet également une vérification des performances attendues du détecteur directement sur les données. Les bruits de fond et l'efficacité d'identification des électrons sont estimés par une méthode basée sur les données.

Le premier chapitre de cette thèse présente les fondements théoriques sur lesquels repose le mécanisme de Higgs, ainsi que les caractéristiques du boson, telles qu'elles résultent du modèle standard. Le deuxième chapitre fait le point sur la situation expérimentale concernant les recherches passées, en cours et en projet, visant à la découverte du Higgs. Le troisième donne les principales caractéristiques du collisionneur LHC et celles du détecteur CMS, tous deux en fin de construction au CERN, en s'attardant sur les parties du détecteur plus particulièrement mises en oeuvre pour la recherche du Higgs via le canal H -> ZZ* -> 2e+2-, c'est-à-dire sur le trajectographe et le calorimètre électronique ECAL. Le quatrième chapitre indique comment les expériences réalisées sur un faisceau d'électrons du CERN ont permis de parfaire la calibration des cristaux composant ce calorimètre ECAL. Le cinquième chapitre présente l'étude menée sur les primitives de déclenchement qui a permis de valider les caractéristiques de l'électronique qui leur est associée. Le sixième chapitre décrit la procédure d'analyse des données menant à la reconstruction des événements de physique détectés par CMS, et l'extraction des caractéristiques qui seront utilisées pour l'identification formelle du boson de Higgs. Enfin, le septième chapitre est consacré à l'optimisation de l'extraction de la signature du Higgs, initialement noyée dans un abondant bruit de fond. Après un rappel du principe des logiciels intelligents appelés " réseaux de neurones ", il présente l'élaboration d'un tel logiciel spécialement adapté au problème concerné. Puis il décrit comment les différentes variantes de ce code ont été utilisées, d'une part pour choisir les paramètres à. retenir afin d'optimiser l'identification du signal par rapport aux bruits, et d'autre part pour son extraction proprement dite, ce qui a permis d'atteindre des taux élevés de réjection de ces bruits, qui pourront permettre l'observation du boson de Higgs.

Produits lors des collisions dures proton-proton initiales, les photons prompts sont un outil interessant pour etudier la ChromoDynamiqueQuantique perturbative (pQCD) en collisions proton-proton, comme celles ayant lieu aupres du Large Hadron Collider (LHC) du CERN. De plus, les photons de grande energie transverse fournissent des informations essentielles sur les fonctions de distribution partoniques (PDF) a l'interieur du proton. Pour les mesurer, il est necessaire de s'affranchir des nombreuses autres sources de photons qui existent en plus des photons prompts, particulierement du large bruit de fond provenant des photons de decroissance du pi0. EMCAL (ElectroMagnetic CALorimeter), le calorimetre de l'experience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) au LHC couvre les rapidites centrales et permet d'ameliorer significativement les capacites d'ALICE a mesurer les photons de grande impulsion transverse. Nous presentons des etudes d'identification des photons, dans EMCAL, en explicitant les methodes developpees pour les separer des photons du pi0, a l'aide de coupures d'isolement.

La recherche d'un boson de Higgs léger dans le canal H --> gamma gamma dans l'expérience ATLAS nécessite d'excellentes performances du calorimètre électromagnétique et une bonne compréhension des bruits de fond. Ce travail de thèse s'articule donc autour de deux points. Le premier concerne le fonctionnement et les performances du calorimètre électromagnétique. D'abord, des développements sont apportés au code de reconstruction online des calorimètres à Argon liquide, et ses algorithmes sont validés, ce qui inclut un contrôle des données en ligne. Ensuite, deux mesures indépendantes de l'uniformité du calorimètre électromagnétique tonneau sont réalisées, l'une avec les muons cosmiques et portant sur une couverture effective d'environ 20% du calorimètre, et l'autre avec les événements pi0 --> gamma gamma dans les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV, avec une luminosité intégrée de L = 414.8 μb−1. La mesure sur les muons montre que les non-uniformités dans la direction eta sont inférieures à 1.0% dans le compartiment milieu et 1.7% dans le compartiment avant, à 95% de niveau de confiance. Avec les pi0, ces résultats sont améliorés et aboutissent à une dispersion de la réponse entre données et simulation inférieure à 0.7% dans les trois cryostats (tonneaux et bouchons), ce qui est au niveau des performances attendues au démarrage. Le deuxième axe de cette thèse concerne l'extraction de paires non-résonnantes de photons. Deux méthodes sont présentées. La première est une double mesure de pureté utilisant une extrapolation du bruit de fond à partir de régions enrichies en bruit de fond vers une région de signal. La seconde méthode est basée sur une matrice d'efficacités de taille 4x4, entièrement déterminée par la simulation et appliquée événement par événement. Ces méthodes sont appliquées aux données de collision, correspondant à une luminosité intégrée de L = 2.82 pb−1. Un signal di-photons direct de 108.6 ± 19.5 (stat.) ± 34.5 (syst.) avec une pureté de (65.1 ± 8.6 (stat.) ± 8.7 (syst.))% est extrait.

ATLAS, une des quatre expériences opérant auprès du Grand Collisionneur de Hadrons, est conçue pour découvrir la pièce manquante du Modèle Standard de la physique des particules, le boson de Higgs et pour rechercher des signes d'une nouvelle physique à l'échelle du Teraélectron-volt. Le calorimètre électromagnétique, un des sous-système majeur d'ATLAS, utilise une technologie argon liquide avec une géométrie en accordéon. Ce détecteur fut testé, pendant la phase de construction, lors d'une série de tests en faisceaux, puis, après son installation, à l'aide de muons cosmiques. Les performances du calorimètre, telles que résolution en énergie, linéarité et uniformité, furent étudiées. Si une nouvelle physique est découverte au LHC, l'étape suivante sera de mettre en évidence les propriétés de la théorie sous-jacente. A partir de l'exemple du lagrangien supersymétrique à l'échelle du TeV, nous montrerons comment, grâce au programme SFitter, il est possible d'étudier un espace de vraisemblance de grande dimension et d'extraire les valeurs des paramètres de la théorie ainsi que leur domaine de vraisemblance. Nous discuterons en particulier la présence de maximums secondaires et les corrélations entre paramètres.

Ce mémoire accentue des aspects du programme de recherche pour un futur collisionneur linéaire des électrons et positrons permettant de faire de la physique de précision à l'echelle de TeV où l'apparition des phénomènes au-delà du Modèle Standard de la physique de particules est attendue. La proposition la plus mature pour une telle machine est l'International Linear Collider (ILC) conçue pour des énergies dans le centre de masse entre 90 GeV et 1 TeV. Les résultats obtenus avec des expériences de précision précédentes suggèrent l'existence du boson de Higgs ayant une masse d'environ 120 GeV. En assumant des paramètres nominaux pour les faisceaux et la luminosité, l'ILC est prometteur d'atteindre une précision de 2-3% sur la section efficace de la Higgs-strahlung et d'environ 30 MeV sur la masse du boson de Higgs. Les détecteurs qui seront opérés au sein de l'ILC comprendront des calorimètres à haute granularité. Ce nouveau type de calorimètre constitue l'outil principal pour atteindre une résolution en énergie des jets de 30%/\sqrt{E}. Le calorimètre électromagnétique sera composé par tungstène comme matériel absorbant et il est actuellement favorisé d'employer des diodes de silicium comme matériel actif. Le document décrit des détails du programme de R&D pour ce calorimètre par rapport à la mécanique et du développement de l'électronique frontale qui sera integrée dans les couches du calorimètre. En plus, l'état actuel du développement des galettes de silicium est abordé. Les résultats obtenus dans les campagnes de test en faisceau avec un premier prototype confirment les paramètres appliqués dans les études de la ''Letter of Intent'' publiée par le groupe de concept ILD en 2009.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal