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

Depuis 1994, j'ai travaillé dans les expériences OPAL et ALEPH au LEP puis dans l'expérience ATLAS au LHC. <br />Dans OPAL, j'ai travaillé sur la physique des mésons D*. J'ai contribué à la mesure de (Z0 c cbar)/ (Z0 hadrons), de l'énergie moyenne des D* xc D* et de la multiplicité moyenne du processus de division gluonique g c cbar, ng c cbar , dans les désintégrations hadroniques du Z0. Par la suite, j'ai travaillé sur la mesure de l'alignement du spin des mésons D*, puis avec George Lafferty, nous avons écrit un article sur les mesures d'alignement de spin des mésons vecteurs dans OPAL. Enfin, j'ai participé à la construction du détecteur Tile Endcap d'OPAL. Dans ALEPH, j'ai travaillé sur la mesure de la masse du W à LEP2. J'ai implémenté le canal e+e- WW q qbar dans l'analyse. J'ai dirigé le groupe Mesure de la masse du W semileptonique au sein d'ALEPH. Nous avons élaboré des méthodes d'ajustements pour déterminer la masse invariante, puis une méthode de repondération de données simulées pour extraire la masse du W à partir de la distribution de la masse invariante. Dans ATLAS, avec Georges Azuelos, nous avons publié un article sur la recherche du radion dans le modèle des dimensions supplémentaires de Randall et Sundrum. Ensuite, avec le thésard que je co-dirigeais, Christophe Le Maner, son directeur Luc Poggioli, et Elzbieta Richter-Was, nous avons publié un article sur la recherche du boson de Higgs produit par fusion bosonique faible avec le Higgs se désintégrant selon H WW l q qbar. Enfin, j'ai participé à l'analyse des données des divers tests en faisceau du SPS dont le but était d'étudier 4 des modules du calorimètre électromagnétique tonneau. J'ai contribué à l'élaboration d'un programme de monitorage, à l'optimisation du code et à la production des coefficients de filtrage optimal et j'ai effectué une étude de la diaphonie dans le détecteur avec son implémentation dans la détermination de ces derniers coefficients. J'ai aussi participé à la construction et au câblage d'un certain nombre de modules du calorimètre électromagnétique argon liquide. J'ai co-dirigé deux théses (C.LeManer: soutenue, F.Tarrade: en cours), et dirigé des étudiants en thèse (B.Raven, E.Thomson) et des étudiants d'été (M.Doucet, I.Trigger). J'ai enseigné au CEGEP au Québec, pendant ma thèse à l'Université de Montréal, puis au CNAM en France. J'ai participé à l'organisation d'un certain nombre de manifestations en physique des particules i.e. PAF, les Houches, Spin Workshop, semaine OPAL. J'ai été invitée à donner des séminaires dans des conférences internationales et nationales i.e. CIPANP2000, Hommage à Trân Thanh Vân, Rencontres du Vietnam. Je participe à des échanges avec d'autres pays : la Pologne et le Maroc. Je m'intéresse à la vulgarisation des sciences et viens de donner une conférence à l'Université de Tous les Savoirs sur la physique aux accélérateurs

Ce travail de thèse présente une recherche expérimentale de particules supersymétriques, les<br />charginos et neutralinos, avec le détecteur L3 auprès du collisionneur e+e- LEP à une énergie<br />dans le centre de masse de s = 161, 172 et 183 GeV. Dans le cadre de la conservation de la<br />R-parité, les événements recherchés ont une énergie manquante significative emportée par la<br />plus legère des particules supersymétriques (LSP), ce qui permet de les distinguer des<br />événements standards. Pour cela, un ensemble de sélections qui optimisent le rapport<br />signal sur bruit est mis au point pour chaque type de signal à chaque énergie. L'absence<br />d'excès d'événements par rapport aux prédictions du modèle standard permet de mettre des<br />limites sur les sections efficaces de production des charginos et neutralinos. Interprétés<br />dans le cadre du MSSM contraint, ces resultats, combinés avec les recherches de sleptons<br />effectuées parallèlement dans la collaboration L3, permettent de mettre des limites inférieures<br />sur la masse des charginos et neutralinos ; en particulier, on exclut à 95% de niveau de confiance<br />un neutralino plus léger que 25.9 GeV/c2. Ceci a des conséquences importantes sur<br />l'interprétation de la matière cachée de l'univers. La recherche d'événements à énergie<br />manquante implique une bonne hermiticité du détecteur. A ce titre, fin 1995, un calorimètre<br />électromagnétique supplémentaire a été installé dans l'expérience L3. On présente l'utilisation,<br />l'amélioration des performances et la calibration de ce détecteur constitué de modules fait<br />en Plomb avec des fibres scintillantes (SPACAL).

La recherche du boson de Higgs implique une bonne uniformité de la réponse du calorimètre électromagnétique d'ATLAS pour l'étude de ses canaux leptoniques et photoniques.<br /><br /><br />Dans la première partie de cette thèse, j'ai développé un outil de monitorage fiable pour s'assurer de la qualité des données prises lors de ces tests, démontré que la procédure de production des coefficients de filtrage optimal comporte un artefact qui influe sur l'uniformité de la réponse en énergie d'un module et contribué à la mise en place d'un algorithme de remplacement des coefficients manquants.<br /><br /><br />La seconde partie concerne l'étude du canal q q H -> q q W W -> q q l nu j j pour un Higgs de 300 GeV/c2. Le résultat rapporte dans le TER ne permettait pas d'exploiter ce canal pour une découverte car les distributions du signal et des fonds se confondaient. Grâce à une nouvelle approche plus globale associée à une nouvelle coupure soir la masse du système Wj et à un relâchement de certaines coupures, j'ai montré que ce canal permet la découverte du boson de Higgs ainsi que la mesure du couplage H -> WW.

L'expérience AMS-02 est un détecteur de physique des particules qui sera installé sur la station spatiale internationale (ISS) pour une durée d'au moins 3 ans début 2008. Les motivations physiques sont la mesure des rayons cosmiques (e-, e+, p, p-bar, gamma, He, C,...), la recherche indirecte de matière noire, la recherche d'antimatière pour Z>2 et l'étude des photons du GeV au TeV. L'expérience HEAT a mesuré le spectre de positons jusqu'à 30 GeV. Elle montre une possible distorsion autour de 8 GeV, qui peut s'interpreter comme un signal de matière noire. La mesure du spectre de positons cosmiques nécessite une séparation positons/protons de l'ordre de 10^5, obtenue par l'utilisation conjointe des sous-détecteurs d'AMS-02. Les tests en faisceaux de 2002 du calorimètre électromagnétique ont permis de déterminer son pouvoir de séparation "électrons"/protons grâce à un réseau de neurones. Cette technique, basée sur des variables discriminantes et mise au point sur les données, a été utilisée pour déterminer l'acceptance en positons du détecteur en combinant les informations des autres sous-détecteurs. On peut aussi estimer le nombre de positons d'origine conventionnelle et déterminer la capacité de détection de signaux issus de matière noire froide. Cette étude est présentée pour des signaux issus de neutralinos supersymétriques et de particules stables de Kaluza-Klein. Les flux restent naturellement trop faibles pour être détectables. Le signal peut être amplifié grâce à l'existence de surdensités locales de matière noire qui apparaissent naturellement dans les modèles de formation de galaxie. Une modélisation de ces surdensités a été mise au point et présentée.

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

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 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.

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.