Le Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur électron-positon développé pour prendre le relais du Grand Collisionneur de Hadrons LHC. Ce projet permettra d'étudier précisément les caractéristiques du nouveau boson de 125 GeV , découvert en 2012 par les expérience CMS et ATLAS, compatible avec le boson de Higgs du modèle standard. Cette expérience pourrait aussi permettre aux physiciens de mettre à jour des phénomènes physiques inconnus. Pour exploiter au maximum ce nouvel accélérateur, deux collaborations travaillent sur le développement de deux détecteurs : le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur au Silicium SiD. Ces détecteurs sont dits généralistes et sont optimisés pour la mise en oeuvre de technique de suivi des particules. Ils sont constitués d'un trajectographe dans leur partie centrale et de systèmes de calorimétrie. L'ensemble est inséré dans un aimant supraconducteur, lui même entouré d'une culasse instrumentée avec des chambres à muon. Le groupe lyonnais dans lequel j'ai effectué mes travaux de recherche pendant mon doctorat, a grandement participé au développement du calorimètre hadronique à lecture semi-digitale. Ce calorimètre ultra-granulaire fait partie des options pour le calorimètre hadronique du Grand Détecteur International. Un prototype a été construit en 2011. D'environ 1 m3, il est constitué de 48 chambres à plaque résistive de verre, comporte plus de 440000 canaux de lecture de 1 cm2 et pèse environ 10 tonnes. Ce calorimètre répond aux contraintes imposées pour le Collisionneur Linaire International (une haute granularité, une consommation électrique faible, une alimentation pulsée etc) et est régulièrement testé sur des lignes de faisceau au CERN. Les données ainsi collectées m'ont permis d'étudier en détail le phénomène de gerbe hadronique. De nombreux efforts ont été réalisé pour développer des méthodes efficace de reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques et pour améliorer la résolution en énergie du prototype SDHCAL. La simulation des gerbes hadroniques dans le SDHCAL constitue une part importante de mes travaux de recherche. Une simulation réaliste des chambres à plaque résistive de verre a été développée en étudiant la réponse du prototype au passage de muons et de gerbes électromagnétiques. J'ai alors confronté les modèles de simulation des gerbes hadroniques avec des données expérimentales. La granularité du SDHCAL rend aussi possible des études fines sur la topologie des gerbes hadroniques, notamment sur leur extension latéraleet longitudinale. J'ai finalement pu étudier, en m'appuyant sur mes travaux de simulations, la reconstruction de la masse des bosons W et Z dans une simulation complète du Grand Détecteur International. Cette étude permet d'estimer les performances de l'ILD avec le SDHCAL et les techniques de suivi des particules / The International Linear Collider ILC is an electron-positron collider project proposed to become the next particle collider after the Large Hadron Collider LHC. This collider will allow to study, in details, the new 125 GeV boson, discovered in 2012 by CMS and ATLAS experiments. This new particle seems compatible with the standard model Higgs boson. The International Collider may also allow physicists to discover new physics. In order to operate this new collider, two collaborations are developing two detectors : the International Large Detector ILD and the Silicon Detector SiD. These general-purpose detectors are optimised for particle flow algorithms. The team from Lyon in which I worked during my Ph.D., has widely participated in the development of the semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL. This high granular calorimeter is one option for the International Large Detector hadronic calorimeter. A prototype has been built in 2011. This 1 m3 prototype is made of 48 glass resistive plate chambers and contains more than 440000 electronic readout channels. This technological calorimeter is often tested with beam of particles at CERN. The collected allowed me to study the hadronic showers with many details. Methods to reconstruct precisely the hadronic showers energy has been developed in order to improve the SDHCAL energy resolution. My main contribution was the development of the hadronic shower simulation within the SDHCAL. A realistic simulation of the SDHCAL was performed by studying the SDHCAL response to the passage of muons and electromagnetic showers. I was then able to compared different simulation models with experimental data. The SDHCAL granularity allows precise studies on the hadronic showers topology, such as longitudinal and lateral shower extent. I finally worked on the W and Z boson mass reconstruction in a full simulation of the International Large Detector in order to study the performance of this calorimeter option with particle flow techniques

Dans cette thèse, la recherche de neutrinos lourds droitiers à travers la désintégration d'un boson W droitier (Wʀ) en deux leptons et deux jets avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée.Le boson Wʀ se désintègre en un lepton et un neutrino massif (Nʀ), et le neutrino se désintègre en un autre lepton de la même saveur et en une paire de jets. Les données recueillies par l'expérience CMS dans les collisions proton-proton à 13 TeV en 2016 correspondant à une luminosité totale intégrée de 35.9 fb ⁻¹ ont été utilisés pour cette analyse.Ces neutrinos lourds manquent dans le Modèle Standard (SM) de la physique des particules et ils sont donc importants pour faire la lumière sur la physique au-delà du SM. Mes principales contributions ont été la simulation et la validation des échantillons de signaux, l'estimation de l'un des principaux bruit de fonds, la production des limites 1D et 2D sur la section transversale du Wʀ (en fonction de la masse du Wʀ et de la masse du Wʀ par rapport à la masse du Nʀ, et l'analyse statistique et systématique. Les résultats obtenus avec cette analyse donnent les limites les plus strictes à ce jour.Des études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique de CMS pour la Phase II du LHC, qui prévoit un remplacement partiel de l'électronique dans le tonneau, sont également présentés. Mes principales contributions ont été dans la préparation de l'installation et dans la prise de données des test beams réalisée à la ligne de faisceau H4 dans la zone SPS Nord du CERN,dont le but était d'étudier la performance du prototype pour les nouvelles Very-Front-End cartes (CATIA chips avec un ADC de 160 MHz), et dans l'étude des formes et bruit des signaux recueillis par une matrice de 5 x 5 cristaux pour calculer leur timing et leur résolution énergétique.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique au delà du Modèle Standard, en particulier sur les neutrinos lourds, suivi d'une description du détecteur CMS et de son calorimètre électromagnétique. Les études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique sont présentées dans un chapitre dédié, puis l'analyse sur la recherche de neutrinos lourds et un aperçu de la physique des neutrinos au LHC et autres expériences sont décrits. / In this thesis, the search for heavy right-handed neutrinos through the decay of a right-handed W (Wʀ) boson into two leptons and two jets with the CMS experiment at the Large Hadron Collider is presented. The Wʀ boson decays into a lepton and a massive neutrino (Nʀ), and the neutrino decays into another lepton of the same flavor and into a pair of jets. The data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at 13 TeV during 2016 and corresponding to a total integrated luminosity of 35.9 fb ⁻¹ were used for this analysis. These heavy neutrinos are missing in the Standard Model (SM) of particle physics and thus they are important to shed light on physics beyond the SM. My main contributions were the simulation and validation of the signal samples, the estimation of one of the main backgrounds, the production of the 1D and 2D limits on the Wʀ cross section (as a function of the Wʀ mass and of the Wʀ mass versus Nʀ mass), and the systematics and statistical analysis. The results obtained with this analysis give the most stringent limits to date.Studies on the upgrade of the CMS electromagnetic calorimeter for the LHC Phase II, that foresees a partial replacement of the electronics in the barrel, are also presented. My main contributions were in the preparation of the setup and in the data taking of test beams performed at the H4 beam line in the SPS North Area of CERN, whose goal was to study the performance of the prototype for the new Very-Front-End boards (CATIA chips with 160 MHz ADC), and in studying the shapes and noise of the signals collected by a matrix of 5 x 5 crystals calculating their timing and energy resolution.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and the physics beyond the Standard Model, in particular on heavy neutrinos, followed by a description of the CMS detector and its electromagnetic calorimeter. The upgrade studies on the electromagnetic calorimeter are presented in a dedicated chapter, then the analysis on the search for heavy neutrinos and an overview on the overall neutrino physics at the LHC and other experiments are described.

L'analyse isotopique des actinides est nécessaire pour le pilotage du cycle du combustible, le contrôle du traité de non-prolifération ou pour la surveillance environnementale. La précision de ces analyses peut être limitée par la performance du détecteur utilisé mais aussi par les incertitudes associées aux intensités d’émission disponibles dans les tables de données nucléaires. La désintégration des actinides est généralement suivie par d’intenses émissions de photons X et gamma dans la gamme d’énergie inférieure à 100 keV. Leur détection peut être intéressante pour l'analyse des actinides. Cependant, les techniques conventionnelles de mesure ne permettent pas de séparer correctement les raies des émissions concernées. Cette thèse a été consacrée à la mesure des intensités à l’aide d’un détecteur cryogénique. Ce dernier est basé sur un calorimètre métallique magnétique (MMC) qui permet de mesurer le dépôt d’énergie sous forme d’une élévation de température. Le MMC, appelé SMX3, comporte quatre pixels ; il est spécifiquement conçu pour la spectrométrie X et gamma de haute résolution dans la gamme d'énergie inférieure à 100 keV en vue de la mesure des intensités d’émission des actinides. Outre la haute résolution fournie par SMX3, due à son principe de fonctionnement, ce détecteur possède un rendement de détection constant et quasiment égal à 100% dans la gamme d'énergie inférieure à 25 keV, où les rayons XL des actinides sont émis. La courbe de rendement de SMX3 a été étalonnée par une méthode qui consiste en une mesure d’une seule source étalon d’Am-241 combinée à des simulations Monte Carlo. Les trois actinides Pu-238, Pu-239, et Cm-244 ont été mesurés afin de fournir des intensités absolues et relatives des émissions Li-Yj (avec Y=L,M,N,O,P i=1,2,3 et j=1..7). Grâce à la très haute résolution en énergie du MMC, les raies XL individuelles des actinides peuvent être séparées. Les raies satellites sont aussi détectées, leurs intensités relatives aux raies diagrammes dépendent de l’isotope en fonction des paramètres fondamentaux atomiques. Les intensités des raies XL individuelles ont pu être déterminées pour la première fois, notamment pour les transitions L₁-L₃. De plus, les intensités des régions XLi (i=1,2,3) ont été établies. Les intensités des groupes XL et XL globale sont comparées avec les calculs et les données expérimentales disponibles dans la littérature. / Isotopic analysis of actinides is necessary for fuel cycle management, non-proliferation treaty control or environmental monitoring. The accuracy of these analyses may be limited by the performance of the detector used but also by the uncertainties associated with the emission intensities available in the nuclear data tables. The disintegration of actinides is generally followed by intense X-ray and gamma photon emissions in the energy range below 100 keV. Their detection may be of particular interest for actinide analysis. However, conventional measurement techniques do not allow to properly separate the lines of the considered emissions. This thesis was devoted to the measurement of intensities using a cryogenic detector. The latter is based on a magnetic metallic calorimeter (MMC) that measures energy deposition as a temperature rise. The MMC, called SMX3, has four pixels and is specifically designed for high resolution X-ray and gamma spectrometry in the energy range below 100 keV to measure actinide emission intensities. In addition to the high resolution provided by SMX3 through its operating principle, this detector has a constant detection efficiency and almost equal to 100% over the energy range below 25 keV, where actinides' XL rays are emitted.The SMX3 yield curve was calibrated by a method that consists of a single standard source measurement of Am-241 combined with Monte Carlo simulations. The three actinides Pu-238, Pu-239, and Cm-244 were measured to provide absolute and relative intensities of Li-Yj emissions (with Y=L,M,N,O,P i=1,2,3 and j=1..7). Thanks to the very high energy resolution of the MMC, the individual XL lines of actinides can be separated. Satellite lines are also detected, their intensities relative to the diagram lines depend on the isotope according to the fundamental atomic parameters. The intensities of the individual XL lines could be determined for the first time, especially for the transitions L₁-L₃. In addition, the intensities of the XLi regions (i=1,2,3) were established. The intensities of the overall XL and XL groups are compared with the calculations and experimental data available in the literature.

Le démarrage de l'expérience ATLAS au LHC sur le site du CERN a eu lieu durant l'automne 2009. Pendant la construction et l'intégration du détecteur, des tests en faisceaux combinés contenant plusieurs sous-détecteurs ont eu lieu. Dans la région avant du détecteur (eta > 2.5), des tests en faisceaux combinés mettant en oeuvre les calorimètres hadronique et électromagnétique ont eu lieu. Des données de faisceaux de pions et d'électrons ont été analysées pour estimer l'efficacité d'identification des électrons et le facteur de rejet des pions. L'identification des électrons dans la région avant du détecteur peut être utilisée pour étudier les désintégrations des bosons W et Z et aussi développer des outils qui permettront de comprendre les différents bruits de fond mis en jeu. Une méthode pour estimer le facteur de rejet des pions ainsi que l'efficacité d'identification des électrons est présentée en utilisant une analyse discriminante basée sur les méthodes du discriminant de Fisher et sur les Boosted Decision Trees. Il est ainsi montré qu'il est possible d'obtenir une efficacité de détection des électrons de 50% pour un facteur de rejet de plus de 200. De plus les outils développés durant les tests en faisceaux ont permis également d'appliquer ces méthodes aux premières données du LHC avec des collisions à 7 TeV. Puisque la luminosité actuelle du LHC ne permet pas encore d'étudier avec précision les taux de production des bosons W et Z sur les données, une étude à partir du générateur Pythia a été menée sur la physique des électrons dans la partie avant.

L’instrumentation et la mesure en ligne pour les Material Testing Reactors sont en pleine expansion en France en particulier avec la construction du Réacteur Jules Horowitz (RJH) qui possédera des capacités expérimentales accrues (conditions extrêmes). Conception/développement/optimisation de moyens expérimentaux sont requis pour une caractérisation fine des conditions expérimentales régnant dans ce MTR. C’est dans ce contexte que s’inscrivent mes travaux de thèse. Plus précisément depuis 2009, le CEA et l'Université d'Aix-Marseille (Laboratoire IM2NP UMR7334, eq. Microcapteurs-Instrumentation) conduisent des programmes de recherche au sein du laboratoire commun LIMMEX afin de proposer de nouveaux capteurs et dispositifs dédiés à la détermination spatiale et temporelle des flux neutrons/photons et de l’échauffement nucléaire dans les matériaux inertes par interactions rayonnements nucléaires/matière dans les canaux du RJH. Les travaux de ma thèse ont porté sur la calorimétrie, méthode permettant la quantification de l’échauffement nucléaire. L’objectif était d’étudier et d’optimiser la méthode et les capteurs hors flux nucléaires et d'améliorer les étapes conduisant à la quantification de l’échauffement nucléaire. Ces travaux expérimentaux et numériques ont comporté trois volets principaux. Le 1er a porté sur des études sur la réponse et le comportement de calorimètres différentiels classiques. Le 2ème volet a été dédié à des études sur la méthode d’étalonnage des calorimètres prototypes. Le 3ème volet a consisté à l’interprétation de mesures d’échauffement nucléaire et à la simulation de nouveaux capteurs pouvant mesurer un échauffement nucléaire de 20W.g-1 dans le RJH. / The instrumentation and on-line measurement for Material Testing Reactors are booming in France in particular with the construction of the Jules Horowitz Reactor (RJH), which possess increased experimental capacity (extreme conditions). Design / development / optimization of experimental resources are required for a detailed characterization of experimental conditions in the MTR. It is in this context that fit my thesis work. Specifically since 2009, the CEA and the University of Aix-Marseille (IM2NP Laboratory UMR7334, eq. Microcapteurs-Instrumentation) lead research programs in the LIMMEX joint laboratory to provide new sensors and devices dedicated to determining spatial and temporal neutron / photon fluxes and nuclear heating in the inert materials by nuclear radiation / matter interactions in the channels of RJH. The work of my thesis focused on calorimetry method for the quantification of nuclear heating. The objective was to study and optimize the method and sensors excluding nuclear flow and improve the steps leading to the quantification of nuclear heating. These experimental and numerical works involved three main components. The first focused on studies of the response and behavior of conventional differential calorimeters. The second part was devoted to studies on the calibration method calorimeters prototypes. The third component was the interpretation of nuclear heating measures and simulation of new sensors that can measure a nuclear heating of 20W.g-1 in the JHR.

Apres une quinzaine d'annees de developpement, le detecteur Atlas est operationnel. Fin 2008, il enregistra plusieurs millions d'´evenements cosmiques ainsi les premieres donnees à un faisceau LHC. Cette reussite est le resultat d'une longue strategie de tests sous faisceau et des efforts menes par la collaboration lors de la mise en service dans la caverne du detecteur. Une exploitation rapide et fiable des premieres donnees pour la recherche du boson de Higgs et de nouvelle physique est donc attendue. J'ai contribue significativement à la mise en service du calorim`etre ´electromagn´etique (EM). Je me suis interesse à l'´etude de la reponse de ce sous d´etecteur aux muons cosmiques. Ces premieres donnees ont permis de rechercher des canaux morts, de tester la reconstruction de l'´energie ainsi que l'uniformite spatiale de la reponse du detecteur. Ma participation à cette mise en service s'est poursuivie par l'´etude des donnees acquises à l'aide d'un seul faisceau lors du demarrage du LHC (Sept. 2008). L'expertise du calorimetre EM acquise m'a ensuite permis d'etudier l'impact de la qualite des premieres donnees du LHC sur le potentiel de decouverte d'un Z' --> e+e-. Les limites induites par de possibles problemes hardware ou d'etalonnage en énergie ont été estinees. Etant donne le nouvel agenda du LHC, cette analyse sera possible avec les collisions pp à 10 TeV de 2010.

Le programme de physique de l'expérience ATLAS auprès de l'accélérateur LHC au CERN couvre un vaste domaine allant de la physique du Modèle Standard, avec la recherche d'un boson de Higgs, à la recherche de nouvelle physique (comme la recherche de super-symétrie ou de dimensions supplémentaires). Cette thèse s'oriente selon deux axes principaux. Elle présente premièrement des études liées à l'électronique de calibration et d'acquisition des signaux issus du calorimètre électromagnétique à argon liquide du détecteur ATLAS. Deuxièmement, elle présente des études menées dans le cadre de la recherche d'un boson de Higgs du Modèle Standard dans sa désintégration en deux photons : l'un des canaux de recherche les plus importants dans la région de basse masse favorisée par des mesures de précision et des prédictions théoriques. Ces études portent en particulier sur la reconstruction et l'utilisation des photons convertis en paires électron-positron dans le but d'améliorer le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal de désintégration. D'autres aspects liés à la validation du code de simulation rapide du détecteur ATLAS y sont également décrits, concernant ses performances sur la simulation et la reconstruction des photons convertis et non-convertis mais aussi sur le signal de physique $H\to\gamma\gamma$.

Dans le cadre de la préparation de l'expérience L3 sur LEP au CERN, cette thèse présente une étude d'une portion du calorimètre électromagnétique formée de 100 cristaux de germanate de bismuth (B.G.O.). La lumière de scintillation de chacun des cristaux est lue par des photodiodes de grande surface (2 X 1.5 cm2).<br />L'electronique asociée aux photodiodes est étudiée de façon détaillée depuis les préamplificateurs de charge (responsabilité spécifique du groupe de lyon) jusqu'aux convertisseurs analogique-digital.<br />En particulier, le rapport signal sur bruit est discuté en relation avec les performances du détecteur à basse énergie. Le bruit électronique obtenu par cristal est de l'ordre de 1300 électrons, soit 1.5 MeV B.G.O. Il comporte une partie intrinsèque et une forte partie corrélée qui joue un rôle important à basse énergie dans la dégradation de la résolution en énergie. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'atteindre le stade final de la construction du calorimètre électromagnétique.

Le quark top (t) découvert en 1995, pourrait être le sujet de la manifestation de nouvelles interactions et sa production en paires ttbar est un bruit de fond pour la recherche de processus rares.<br />Le Tevatron, collisionneur proton/anti-proton avec une énergie dans le centre de masse de 1.96 TeV, produit des paires top/anti-top avec une section efficace théorique de 7 pb.<br />La section efficace de production ttbar est mesurée dans le canal "électron+jets" en utilisant une luminosité intégrée de 360 pb-1 prise avec le détecteur D0. Dans un lot enrichi en désintégrations électronique de bosons W, le nombre d'évènments de signal est estimé grâce à des critères topologiques. La mesure est 9.0 +/- 2.0 +/- 1.7 +/- 0.- pb.<br />La calibration des gains et des non-linéarités de l'électronique du calorimètre, essentiel à cette mesure, est effectuée. L'algorithme T42 est présenté, il permet une suppression du bruit électronique du calorimètre en conservant les signaux de plus de 4sigma et leurs voisins directs de plus de 2.5sigma.

Les théories de grande unification sont une extension possible au modèle standard. Elles impliquent l'existence d'un boson de jauge neutre supplémentaire, le Z'. L'étude des paramètres de ce boson dans le canal électronique, notamment la mesure de sa largeur, nécessite une bonne uniformité et une bonne résolution du calorimètre électromagnétique. La première partie de cette thèse, consiste en l'étude de la réponse de la partie tonneau du calorimètre électromagnétique d'ATLAS à un faisceau d'électrons de 245 GeV. La mesure de son uniformité a représenté la majeure partie de ce travail. Pour faire cette mesure, une recherche des canaux à problème dans le calorimètre a été faite et des corrections permettant de prendre en compte différents effets liés au détecteur et de considérer tous les événements enregistrés ont été développées. Dans la deuxième partie, j'ai étudié le potentiel d'ATLAS dans l'étude du Z' se désintégrant en leptons et plus particulièrement en électrons. Une étude de la cinématique et des bruits de fond a tout d'abord été faite. Cette analyse a porté sur les possibilités de différencier les modèles de grande unification possibles, et sur la possibilité de découvrir le Z', pour des masses allant de 1 TeV à 4 TeV.