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Ce document résume mes activités entre 1995 et 2010. Dans un premier temps, le développement d'un détecteur à pixels de silicium pour l'amélioration du Forward Proton Spectrometer de l'expérience H1 à DESY est présenté. Ensuite, les développements des circuits de lecture du détecteur à pixels de l'expérience ATLAS au CERN sont détaillés, en particulier le développement de bancs de test de ces circuits ainsi que la simulaton de leur comportement dans un environnement réaliste. Puis, l'infrastructure de la digitization des détecteurs à silicium (Pixels et SCT) est présentée. Une deuxième partie décrit la production de l'électronique frontale de lecture du calorimètre hadronique à tuiles scintillantes d'ATLAS (TileCal), en particulier le développement du système de test MobiDICK. Les logiciels de contrôle du système de calibration du TileCal par laser sont aussi détaillés. Pour finir, mes activités d'enseignement, d'encadrement et de diffusion des connaissances (en particulier le Cosmophone) sont mentionnées.

Le mode de désintégration en une paire de photons est la signature la plus claire permettant de rechercher un boson de Higgs de masse intermédiaire auprès du futur grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. Puisque la largeur naturelle du Higgs est très faible dans cette zone, son observation dans ce canal repose sur les performances du calorimètre électromagnétique. Une étude complète a été effectuée pour évaluer le potentiel de découverte du détecteur ATLAS. Les paramètres et la géométrie du calorimètre électromagnétique à argon liquide ont été optimisés. Les résultats de la simulation utilisée pour ce travail sont confirmés par des tests sur faisceau d'un prototype. Cette simulation inclut différentes contributions comme le terme d'échantillonnage, les bruits d'électronique et d'empilement, le terme constant global du calorimètre et la mesure de direction de l'angle d'émission des photons de la paire. Le niveau de bruit de fond irréductible des paires de photons directs a été évalué, tout comme celui du bruit de fond réductible des jets de hadrons, et plus particulièrement celui des pions neutres isolés. Pour cela, la capacité du détecteur à rejeter ces bruits de fonds a été estimée. Le calcul de la résolution de masse invariante des paires de photons et l'estimation du taux d'événements de signal et de bruit de fond ont permis de calculer le potentiel de découverte du Higgs par le détecteur ATLAS pour ce canal. Un effet systématique à plus de cinq écarts types sera mis en évidence en une année de prise de données au LHC, si la masse du boson de Higgs est comprise entre 100 GeV/c2 et 150 GeV/c2.

Les collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV au LHC produiront des bosons Z en grande quantité dont la mesure de la section efficace de production constitue un test du Modèle Standard. Après avoir décrit le contexte théorique et procédé à une description du détecteur ATLAS et des outils de simulation et d'analyse, une partie de cette thèse est consacrée à l'exploitation des événements cosmiques enregistrés dans la phase de préparation aux collisions afin de valider la simulation des formes de gerbes électromagnétiques dans un contexte proche de celui des collisions. Une deuxième partie de la thèse s'attache à la description des éléments clefs intervenant dans la mesure de la section efficace. Des critères de sélection utilisant des variables d'isolation, alternatifs à la sélection standard, ont été étudiés et ont mené à l'observation des premiers candidats Z->e+e- dans ATLAS. Enfin, les principales sources d'erreurs systématiques intervenant dans la mesure de section efficace ont été étudiées. Il s'agit des incertitudes liées d'une part à l'efficacité de sélection des électrons et d'autre part à l'efficacité géométrique du détecteur.

En ce début d'année 2010, le collisionneur de protons LHC a commencé son fonctionnement avec une énergie dans le centre de masse de s = 7 TeV, faisant du CERN le laboratoire abritant le plus puissant accélérateur de particules au monde. La nouvelle fenêtre d'observation offerte par cette machine offre aux physiciens la possibilité d'observer des phénomènes physiques encore inconnus et détendre nos connaissances sur le fonctionnement de l'univers. Parmi les expériences placées sur l'anneau du LHC se trouve l'expérience généraliste ATLAS, dont les objectifs de physique comprennent la complétion du Modèle Standard de la physique des parti- cules par la découverte du boson de Higgs, la mesure des propriétés du quark top, mais également la mise à l'épreuve de théories comme la sup er-symétrie, les modèles de grande unification et de dimensions supplémentaires. Le chapitre 1 illustrera l'état des connaissances théoriques en physique subatomique avant le nouvel éclairage que le LHC a la vocation de lui app orter, tandis que le chapitre 2 décrira l'exp érience ATLAS sur lequel repose le travail effectué pendant cette thèse. L'exploitation des données d'un collisionneur de hadrons n'est cependant pas aisée, et la réduction du bruit QCD est un des enjeux majeurs des expériences placées auprès du LHC. Dans cet environnement hadronique, la maîtrise des leptons est cruciale. Leur signature relativement simple et leur présence dans des canaux de découvertes importants sont des atouts pour la recherche de nouvelle physique. L'électron, sa reconstruction, son identication, sa mise en oeuvre et celle du calorimètre électromagnétique qui est un sous-détecteur crucial pour sa mesure a été le conducteur de ma thèse qui se découpe comme suit. La reconstruction de l'électron commence dans le calorimètre électromagnétique

Une recherche du boson de Higgs est effectuée dans le canal WW → lνlν en utilisant l'ensemble des données de 2011 à une énergie dans le centre de masse de √s = 7 TeV et une partie des données de 2012 à 8 TeV prises par l'expérience ATLAS auprès du LHC. Les luminosités intégrées correspondantes sont 4.7 fb−1 et 5.8 fb−1, respectivement. L'analyse est effectuée avec des coupures. Plusieurs méthodes sont introduites pour estimer à partir des données la contribution de bruits de fond des différents processus afin de minimiser l'utilisation de simulation. Pour la contribution du bruit de fond top dans le canal dominant avec zéro jet, elle est estimée avec une méthode que nous avons proposée. Une autre méthode pour corriger la forme de la distribution de l'énergie transverse manquante dans les événements Drell-Yan à partir des événements W +jets est également présentée. En 2011, le boson de Higgs du modèle standard avec la masse du Higgs de 133 à 261 GeV est exclue à 95% de niveau de confiance, tandis que la plage d'exclusion prévue est de 127 à 234 GeV. En 2012, un excès d'événements au-dessus du bruit de fond attendu est observé dans une plage de masse autour de 125GeV. En combinant les deux échantillons, la probabilité minimale ("p-value") pour que l'hypothèse bruit de fond seul fournisse autant ou plus d'événements qu'observé dans les données est de 3 × 10−3, ce qui correspond à une signifiance statistique de 2,8 écarts types. Le taux de production mesuré du signal par rapport au taux prédit pour le boson de Higgs du modèle standard à mH = 125GeV est de 1,4 ± 0,5. La probabilité attendue pour un Higgs avec mH = 125GeV est de 0,01, soit de 2,3 écarts types. La limite d'exclusion d'un Higgs dans un modèle avec une quatrième génération est également présentée en utilisant une partie de l'échantillon de données 2011, la gamme de masse entre 120 GeV et 600 GeV a été exclue à 95% de niveau de confiance. Enfin, l'étude sur le temps de dérive dans le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS est effectuée en utilisant tous les échantillons de données du rayonnement cosmique, du faisceau splash et de collision. Les résultats ne montrent aucune non-uniformité significative sur la largeur de l'espace cellulaire mis à part un effet de "sagging" dans les régions de transition dû au poids du calorimètre.

Dans cette thèse, je présente ma contribution à l'observation d'un nouveau boson au LHC avec le détecteur ATLAS dans le canal de désintégration en deux photons. Ce boson est compatible avec le boson scalaire du Modèle Standard longtemps recherché et a une masse de 126.0 +/-0.4 (stat) +/-0.4 (sys) GeV obtenue en combinant les canaux gamma gamma et ZZ. Les données utilisées sont celles collectées par l'expérience ATLAS durant l'année 2011 avec une énergie de centre de masse de 7 TeV et durant les trois premiers mois du run en 2012 avec une énergie de centre de masse de 8 TeV. La luminosité totale correspondante est de ~10 fb-1. L'excès observé a une significance locale de 4.5 sigma dans le canal gamma gamma et de 5.9 sigma en combinant tous les canaux analysés. De même, diverses contributions aux analyses des données, dans le canal H en gamma gamma, depuis l'année 2009 jusqu'en 2012 sont aussi montrées.

Cette thèse s'articule autour de la compréhension du mécanisme de brisure spontanée de symétrie électrofaible dans l'expérience ATLAS au LHC, à travers deux thématiques complémentaires : la recherche du boson de Higgs dans le canal H->gamma gamma et une recherche de dimensions supplémentaires dans le secteur des gluons. Par ailleurs, les tests de l'électronique du calorimètre électromagnétique ont permis de valider la conception des cartes contrôleur et maître SPAC, dont la responsabilité était liée au LPNHE.<br /><br />Pour la recherche du Higgs dans le canal H->gamma gamma, l'utilisation de données de simulation complète du détecteur a permis de calculer de façon précise la résolution en masse du système diphotons. Concernant le bruit de fond de jets, une étude a été faite avec des variables discriminantes afin d'obtenir, pour une efficacité de 80 % d'identification des photons, un pouvoir de réjection des jets de l'ordre de 7000. Grâce aux progrès théoriques récents, le signal et le bruit de fond ont pu être étudiés à un ordre supérieur du développement perturbatif, ce qui augmente les sections efficaces. Le potentiel de découverte profite de cette augmentation des sections efficaces et augmente de 50 % par rapport à la même analyse faite au niveau fondamental (LO). Enfin, une nouvelle analyse utilisant une méthode de maximum de vraisemblance permet d'améliorer de l'ordre de 40 % le potentiel de découverte par rapport à notre propre analyse classique. Finalement, le boson de Higgs peut maintenant être découvert dans ce canal pour une luminosité intégrée de 10 fb^(-1) pour un Higgs à 120 GeV/c^2<br /><br />Par ailleurs, le problème de naturalité de la masse du Higgs peut être résolu par l'introduction de dimensions supplémentaires dans lesquelles les gluons peuvent se propager. Nous avons montré qu'il était possible de découvrir l'existence de dimensions supplémentaires jusqu'à une échelle de compactification de 15 TeV.

La production de photons de grande impulsion transverse lors des collisions proton-proton (p-p), est décrite par la chromodynamique quantique perturbative (pQCD). Parmi ces photons, ceux issus directement d'un processus partonique énergétique (appelés photons directs) sont particulièrement intéressants car leur mesure permet de tester précisément les prédictions de la pQCD et offre la possibilité de mieux contraindre les fonctions de structure du proton. Ce travail de thèse a pour objectif l'étude et la mesure des photons directs produits dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE. Le calorimètre électromagnétique d'ALICE (EMCal), est utilisé pour réaliser cette mesure qui s'appuie notamment sur l'utilisation d'une procédure d'isolement permettant de réduire le bruit de fond provenant des autres modes de production (fragmentation, décroissance). Les aspects relatifs à la qualité des données dans EMCal, à l'identification des photons, mais aussi ceux liés à la correction du spectre ou encore à sa normalisation sont mis en avant. Finalement, la première section efficace de photons isolés mesurée dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE est présentée et comparée avec les prédictions théoriques avant d'être mise en regard avec les résultats issus des autres grandes expériences du LHC.

Le Spectromètre Magnétique Alpha (AMS) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale ; il enregistre des données depuis mai 2011. L'expérience a pour objectif d'identifier la nature des rayons cosmiques chargés et des photons et de mesurer leur flux dans la gamme d'énergie du GeV au TeV. Ces mesures permettent d'affiner les modèles de propagation de rayons cosmiques, d'effectuer une recherche indirecte de matière noire, et de chercher l'antimatière primordiale (anti-hélium). Dans ce mémoire, les données des premières années ont été utilisées pour mesurer les flux d'électrons et de leptons (électrons + positons) dans la gamme d'énergie de 0.5 GeV à 700 GeV. L'identification d'électrons nécessite une séparation électrons/protons de l'ordre de 104, obtenue par l'utilisation conjointe des estimateurs de différents sous-détecteurs d'AMS, en particulier du calorimètre électromagnétique (ECAL), du trajectomètre et du détecteur à radiation de transition (TRD). Dans cette analyse, les nombres d'électrons et de leptons sont estimés par un ajustement des distributions de l'estimateur du calorimètre et vérifiés en utilisant l'estimateur du TRD : 11 millions leptons ont été sélectionnés et analysés. Les incertitudes systématiques sont déterminées en variant les coupures de sélection et la procédure d'ajustement. L'acceptance géométrique du détecteur et les efficacités de sélection sont estimées grâce aux données de simulation. Les différences observées sur les échantillons de contrôle issus des données permettent de corriger la simulation. Les incertitudes systématiques associées à ces corrections sont établies en variant les échantillons de contrôle. Au total, à 100 GeV (resp. 700 GeV), l'incertitude statistique du flux de leptons est 2% (30%) et l'incertitude systématique est 3% (40%). Comme les flux se comportent globalement en loi de puissance en fonction de l'énergie, il est important de maitriser la calibration en énergie. Nous avons contrôlé in situ la mesure en énergie du calorimètre en comparant les électrons des données de vol et les données de tests en faisceaux, en utilisant en particulier la variable E/p ou p est la quantité de mouvement mesurée par le trajectomètre. Une deuxième méthode de calibration absolue à basse énergie, indépendante du trajectomètre, basée sur l'effet de la coupure géomagnétique a été développée. Deux modèles de prédiction de la coupure géomagnétique, l'approximation Störmer et le modèle IGRF, ont été testés et comparés. Ces deux méthodes ont permis de contrôler la calibration en énergie à 2% et de vérifier la stabilité des performances du calorimètre dans le temps. / The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector installed on the International Space Station; it starts to record data since May 2011. The experiment aims to identify the nature of charged cosmic rays and photons and measure their fluxes in the energy range of GeV to TeV. These measurements enable us to refine the cosmic ray propagation models, to perform indirect research of dark matter and to search for primordial antimatter (anti-helium). In this context, the data of the first years have been utilized to measure the electron flux and lepton flux (electron + positron) in the energy range of 0.5 GeV to 700 GeV. Identification of electrons requires an electrons / protons separation power of the order of 104, which is acquired by combining the information from different sub-detectors of AMS, in particular the electromagnetic calorimeter (ECAL), the tracker and the transition radiation detector (TRD). In this analysis, the numbers of electrons and leptons are estimated by fitting the distribution of the ECAL estimator and are verified using the TRD estimator: 11 million leptons are selected and analyzed. The systematic uncertainties are determined by changing the selection cuts and the fit procedure. The geometric acceptance of the detector and the selection efficiency are estimated thanks to simulated data. The differences observed on the control samples from data allow to correct the simulation. The systematic uncertainty associated to this correction is estimated by varying the control samples. In total, at 100 GeV (resp. 700 GeV), the statistic uncertainty of the lepton flux is 2% (30%) and the systematic uncertainty is 3% (40%). As the flux generally follows a power law as a function of energy, it is important to control the energy calibration. We have controlled in-situ the measurement of energy in the ECAL by comparing the electrons from flight data and from test beams, using in particular the E/p variable where p is momentum measured by the tracker. A second method of absolute calibration at low energy, independent from the tracker, is developed based on the geomagnetic cutoff effect. Two models of geomagnetic cutoff prediction, the Störmer approximation and the IGRF model, have been tested and compared. These two methods allow to control the energy calibration to a precision of 2% and to verify the stability of the ECAL performance with time.