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En 2007 aura lieu au CERN le démarrage du collisionneur LHC qui étudiera l'origine de la masse et cherchera les signes d'une nouvelle physique. L'expérience ATLAS en exploitera les potentialités avec un détecteur généraliste multicouches.<br />L'étude du quark top sera une étape importante : ses propriétés peuvent révéler une éventuelle nouvelle physique. Dans ce but, la polarisation du quark top et du boson W ont été étudiées avec une simulation détaillée du détecteur, dont les résultats confirment la simulation simplifiée. Ils indiquent une précision de 1 à 7 % avec 10 fb-1 de données, adéquate pour écarter ou retenir divers modèles de nouvelle physique.<br />Le calorimètre électromagnétique d'ATLAS est crucial pour l'observation des électrons et photons, et donc pour la recherche du boson de Higgs. Sa mise en route est illustrée ici par l'analyse des rampes reliant le calibrage au signal mesuré, ainsi qu'une analyse des muons cosmiques, premier test de la chaîne de lecture dans de vraies conditions de fonctionnement.

Le démarrage de l'expérience ATLAS auprès du LHC au CERN est prévu pour l'année 2007. Le programme de physique de l'expérience couvre un domaine vaste allant du Modèle Standard (mise en évidence du boson de Higgs) jusqu'au delà avec les nouvelles théories (supersymétrie, dimensions supplémentaires ....etc). Le travail présenté dans cette thèse rentre dans le cadre de préparation au démarrage de cette expérience. Après avoir présenté le run combiné de 2004, ses installations et les analyses des données de calibration et des piédestaux du calorimètre électromagnétique, nous développons une méthode d'étalonnage de l'énergie des<br />électrons dans le calorimètre électromagnétique basée totalement sur les données de la simulation GEANT4 du run combiné. Nous exposons ensuite l'étude des performances du calorimètre électrom\-agnétique ainsi que les résultats obtenus: un terme d'échantillonnage de la résolution en énergie de 10.6$\%$ GeV$^{0.5}$ et un terme constant local de 0.43$\%$, une non-uniformité de réponse de 0.44$\%$ donnant un terme constant global de 0.6$\%$ et une linéarité en fonction de l'énergie meilleure que 0.2$\%$ pour des énergies d'électrons entre 20 et 250 GeV. Côté simulation de "physique" de cette thèse, nous montrons une première étude sur la détermination de l'angle effectif de mélange $\sin^{2}\theta^{lept}_{eff}$ avec une précision meilleure que les résultats actuels, 10$^{-4}$. Pour atteindre une telle précision il va falloir identifier les électrons dans les régions vers l'avant du détecteur. Ce point fait l'objet de la dernière partie de ce manuscrit, il montre qu'on peut atteindre un taux de rejet électron-jet de 100 avec une efficacité de reconstruction des électrons de 50$\%$, en utilisant une analyse discriminante basée sur les méthodes de Fisher, le<br />maximum de vraisemblance et les réseaux de neurones.

La théorie de l'interaction forte, ou Chromodynamique Quantique (QCD), prédit l'existence d'une nouvelle phase de la matière nucléaire à très haute température et/ou très haute densité. Cet état est composé de quarks et de gluons déconfinés connu sous le nom de plasma de quarks-gluons (PQG).La mesure de sa composition et de ses propriétés est un enjeu important pour la physique nucléaire du XXIème siècle afin de parvenir à une meilleure compréhension des symétries et des mécanismes fondamentaux à l'origine du confinement des quarks au sein des hadrons et de l'interaction forte dans son ensemble.L'accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) permet d'atteindre les conditions thermodynamiques nécessaires à la formationdu plasma de quarks-gluons à l'aide de collisions d'ions lourds (Pb) ultra relativistes. L'expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) permet d'accéder à un grand nombre d'observables pour caractériser le PQG à partir de la reconstruction et de l'identification des particules produites lors descollisions. Parmi ces observables, la perte d'énergie des partons (quarks, gluons) de haute impulsiontransverse permet une étude des caractéristiques du milieu telle que sa densité et sa température.La perte d'énergie des partons est mise en évidence par la modification de la distribution en énergiedes hadrons produits par fragmentation.Cette thèse s'articule autour de l'analyse des corrélations photon-hadron dans le but d'étudierla modification de la fragmentation partonique par le plasma de quarks-gluons. La première partiede cette thèse est consacrée à la caractérisation du calorimètre électromagnétique EMCal, détecteur central pour la mesure en énergie et l'identification des photons. La seconde partie est dédiéeà la mesure des corrélations photon-hadron, dont l'analyse a portée sur les collisions proton-protond'énergie ps = 7 TeV, avant d'être appliquée aux collisions Plomb-Plomb d'énergie psNN = 2.76TeV. Un effort particulier a été fourni pour optimiser l'identification des photons prompts, un des points clés de cette analyse.

Une étude des états finaux ZZ avec les premières données acquises par le détecteur CMS est présentée dans cette thèse. Cette étude exploite les premières données délivrées par le LHC et enregistrées par CMS en 2010 et 2011. La section efficace de production ZZ est mesurée et des limites sont posées sur deux constantes de couplages de jauge électrofaibles anomaux neutres. La présence de tels couplages serait une évidence de nouvelle physique au delà du Modèle Standard et nécessite d'être étudiée en détail. De plus, le processus de création de paire de boson Z dans le Modèle Standard est un bruit de fond pour la recherche du boson de Higgs et doit être connu avec précision. Une série d'études préalables est effectuée sur le calorimètre électromagnétique de CMS : ces études portent sur le système de lecture sélective et le système de contrôle laser. Une autre étude préalable porte sur le comportement et la mesure de l'énergie transverse manquante dans des événements contenant un boson électrofaible se désintégrant dans le canal électronique. Cette étude montre que l'empilement a un impact important sur la mesure de l'énergie transverse manquante et que des corrections doivent être déployées pour réduire ces effets. Les conclusions de ces analyses contribuent à la bonne compréhension des résultats obtenus sur les états finaux à deux boson Z.

La chromodynamique quantique (QCD), théorie actuellement utilisée pour décrire l’interaction forte, a prédit l’existence d’une transition de phase, à très haute température et/ou densité, vers un état de la matière nucléaire où les quarks et les gluons sont déconfinés : le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP). Un tel milieu peut être produit en laboratoire, et la mesure de ses propriétés permet d’apporter un éclairage nouveau sur les mécanismes sur les mécanismes d’interactions entre les constituants ainsi que de tester la QCD dans des domaines inexplorés.Les collisions d’ions lourds ultra-relativistes délivrées par l’accélérateur LHC au CERN permettent d’obtenir les conditions thermodynamiques nécessaires à la formation du QGP. À l’aide d’une instrumentation diversifiée, l’expérience ALICE permet d’accéder à un grand nombre d’observables permettant de caractériser le QGP. Parmi celles-ci, la mesure de la fragmentation des partons (quarks et gluons) permet d’étudier en détail les mécanismes de perte d’énergie des partons dans le milieu et de sa redistribution dans l’état final, et peut également être comparée à des calculs théoriques modélisant, à partir de la QCD, l’interaction d’un parton énergétique avec le QGP qu’il traverse.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s’articule autour de l’étude de la fonction de fragmentation par la mesure des corrélations photon-hadron en collisions proton-proton et proton-Plomb. Dans un premier temps, un travail de calibration en énergie du calorimètre électromagnétique de l’expérience ALICE a été réalisé, accompagné de la caractérisation des incertitudes de cette calibration. Dans un second temps, les corrélations photon-hadron, dont la difficulté majeure réside en l’identification des photons directs, ont été étudiées. Les résultats obtenus dans les deux systèmes de collisions démontrent la faisabilité de l’analyse qui pourra être étendue facilement aux collisions Plomb-Plomb périphériques. Enfin, ce travail montre que les incertitudes dominantes de la mesure seront réductibles avec les données prochainement délivrées par le LHC. / The quantum chromodynamics (QCD), the theory used at present to describe the strong interaction, predicts the existence of a phase transition, at very high temperature and/or density, towards a state of nuclear matter where quarks and gluons are deconfined : the Quark-Gluon Plasma (QGP). Such a medium can be produced in laboratory, and the measurement of its properties allows to give a new perspective on the mechanisms of interactions between the constituents as well as to test the QCD in unexplored domains.Ultra-relativistic heavy ion collisions delivered by the accelerator LHC at CERN allow to obtain the thermodynamical conditions necessary for the QGP to be formed. By means of a diversified instrumentation, the ALICE experiment allows to reach a large number of observables allowing to characterize the QGP. Among these, the measurement of the fragmentation of the partons (quarks and gluons) allows to study in detail the mechanisms of energy loss in the medium and its redistribution in the final state, and can also be compared with theoretical calculations, based on QCD, that model the interaction of an energetic parton with the QGP which is passing through.The work presented in this manuscript is articulated around the study of the fragmentation function via the measurement of the photon-hadron correlations in proton-proton and proton-Lead collisions. At first, a work on energy calibration of the ALICE experiment’s electromagnetic calorimeter was realized, along with the characterization of the uncertainties of this calibration. Secondly, the photon-hadron correlations, whose main difficulty is the identification of the direct photons, were studied. The results obtained in both systems of collisions demonstrate the feasibility of the analysis which can be easily widened to the peripheral Lead-Lead collisions. Finally, this work shows that the dominant uncertainties of the measurement will be reducible with the new data delivered by the LHC.

La théorie de l’interaction forte, ou Chromodynamique Quantique (QCD), prédit l’existence d’une nouvelle phase de la matière nucléaire à très haute température et/ou très haute densité. Cet état est composé de quarks et de gluons déconfinés connu sous le nom de plasma de quarks-gluons (PQG).La mesure de sa composition et de ses propriétés est un enjeu important pour la physique nucléaire du XXIème siècle afin de parvenir à une meilleure compréhension des symétries et des mécanismes fondamentaux à l’origine du confinement des quarks au sein des hadrons et de l’interaction forte dans son ensemble.L’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) permet d’atteindre les conditions thermodynamiques nécessaires à la formationdu plasma de quarks-gluons à l’aide de collisions d’ions lourds (Pb) ultra relativistes. L’expérience ALICE (A Large Ion Collider Experiment) permet d’accéder à un grand nombre d’observables pour caractériser le PQG à partir de la reconstruction et de l’identification des particules produites lors descollisions. Parmi ces observables, la perte d’énergie des partons (quarks, gluons) de haute impulsiontransverse permet une étude des caractéristiques du milieu telle que sa densité et sa température.La perte d’énergie des partons est mise en évidence par la modification de la distribution en énergiedes hadrons produits par fragmentation.Cette thèse s’articule autour de l’analyse des corrélations photon-hadron dans le but d’étudierla modification de la fragmentation partonique par le plasma de quarks-gluons. La première partiede cette thèse est consacrée à la caractérisation du calorimètre électromagnétique EMCal, détecteur central pour la mesure en énergie et l’identification des photons. La seconde partie est dédiéeà la mesure des corrélations photon-hadron, dont l’analyse a portée sur les collisions proton-protond’énergie ps = 7 TeV, avant d’être appliquée aux collisions Plomb-Plomb d’énergie psNN = 2.76TeV. Un effort particulier a été fourni pour optimiser l’identification des photons prompts, un des points clés de cette analyse. / The strong interaction theory, Quantum Chromodynamic (QCD), predicts a new phase of nuclearmatter at very high temperature and/or very high density. This state is composed of deconfinedquarks and gluons known as the quark-gluon plasma (QGP). The measurement of its compositionand properties is a challenge for the nuclear physics of the 21st century and should lead to a betterunderstanding of the fundamental symetries and mechanisms related to the quarks confinement insidehadrons and the strong interaction generally.The Large Hadron Collider (LHC) accelerator at CERN (European Organization for NuclearResearch) allows to reach the thermodynamic conditions required to create the quark-gluon plasmausing ultra-relativistic heavy ion collisions (Pb). The ALICE experiment (A Large Ion ColliderExperiment) allows to access several probes to characterize the QGP through particles reconstructionand. Among these probes, high energy parton energy loss is used to access medium characteristicssuch as density or temperature. Parton energy loss is estimated from the modification of the energydistribution of hadrons produced by fragmentation.This thesis is dedicated to the photon-hadron correlations analysis in order to study the modificationof the parton fragmentation due to the quark-gluon plasma. First part of this thesis is devotedto the characterization of the electromagnetic calorimeter (EMCal), the central detector for energymeasurement and photon identification. The second part is dedicated to the photon-hadron correlationmeasurement, for the 7 TeV proton-proton collisions and 2.76 TeV Lead-Lead collisions. Animportant work has been done to improve the prompt photon identification, one of the key point ofthis analysis.

Les paramètres du Modèle Standard de la physique des particules ont été vérifiés expérimentalement avec une grande précision. A l'aide du mécanisme de Higgs, ce modèle permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible et prédit l'existence d'une particule reliquat : le boson de Higgs. Cependant, l'incapacité du Modèle Standard à décrire certains phénomènes et le choix ad hoc de plusieurs de ses paramètres semble suggérer qu'il n'est qu'une approximation d'une théorie plus générale. Des modèles au delà du Modèle Standard, comme les 2HDM ou le NMSSM par exemple, remédient à certaines de ses limitations et postulent l'existence de bosons de Higgs additionnels. La première partie de mes travaux porte sur l'étude des désintégrations Z → μ¯μγ, qui sont particulièrement adaptés à la calibration du calorimètre électromagnétique de CMS, étant une des seules sources de vrais photons de haute énergie du Modèle Standard sélectionnables avec une grande pureté. Ces évenements nous ont notamment été utiles pour extraire l'échelle d'énergie des photons pour les données à 7 et 8 TeV. La seconde partie de mon travail traite de la recherche de bosons de Higgs additionnels se désintégrant en une paire de photons, avec une masse invariante inférieure à 125 GeV. De par son état final clair en milieu hadronique et grâce à la très bonne résolution de notre calorimètre électromagnétique, ce canal nous permet de reconstruire une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements diphotons / The parameters of the Standard Model of particle physics have been verified experimentally with a very high accuracy. With the Higgs mechanism, this model explains the origin of the mass of the W and Z bosons, while keeping the photon massless, and thus breaks the gauge symmetry of the electroweak interaction. This mechanism is associated with a particle : the Higgs boson. The inability of this model to describe certain phenomena or the ad hoc choice of some parameters seems to suggest that it is only an approximation of a more general theory. Models beyond the Standard Model, such as 2HDM or NMSSM for example, can compensate some of its limitations and postulate the existence of additional Higgs bosons. Thus, in addition to the study of the photon energy in order to calibrate in situ the CMS electromagnetic calorimeter, my thesis also includes the search for additional Higgs bosons decaying into two photons.The first part of my work focuses on the study of decays Z → μ¯μγ, one of the only sources of real high-energy photons of the Standard Model selectable with a high purity. These events, in spite of their low cross section, are particularly suitable for the calibration of the CMS electromagnetic calorimeter. With these ones, we have extracted the energy scale of photons for 7 and 8 TeV data, have developed a method for measuring the energy resolution of the ECAL and have studied an algorithm designed to reduce the loss of resolution due to the increase of pileup. The second part of my work deals with the search for additional Higgs bosons decaying into a pair of photons with an invariant mass below 125 GeV. Our analysis is based on the Standard Model H → γγ study, which has been essential for the discovery of the new boson at 125 GeV. After the reoptimization of the analysis to improve efficiency on the signal and correctly take into account the Drell-Yan background, which becomes very important near the Z peak, we have been able to extract limits on the cross section of an additional Higgs boson between 90 and 115 GeV

Ce travail a pour but l'optimisation du traitement numérique de signaux générés dans le cristal de ICs d'un calorimètre électromagnétique, dans le cadre d'expériences à haut taux de comptage telle que Belle II. La scintillation du cristal est convertie en signal électronique par une photopentode de Hamamatsu avec un gain de 150±2 électrons par photoélectron, pour être amplifiée par un préamplificateur. Le shaper, un filtre actif de type CR-(RC)^4, effectue ensuite une mise en forme du signal, qu'un ADC numérise alors pour qu'il soit traité numériquement par le DSP. À partir de formes de référence, le DSP peut extraire l'énergie déposée par une particule incidente et le temps d'occurence de son passage. Pour définir les formes de référence, on a déterminé que sur les trois approches étudiées, soit des formes moyennes expérimentales, soit à partir de la fonction analytique pour un filtre actif ou soit une somme de 3 gaussiennes, la plus optimale est l'ajustement de cette dernière fonction, que ce soit avec un générateur d'impulsions ou un cristal de ICs. De plus, la règle pour convertir l'amplitude des signaux mesurés en énergie déposée dans le cristal a été établie, malgré une gamme dynamique étroite. On a aussi observé des temps moyens de propagation de la scintillation dans le cristal de 47±4 ns et 3,4±0,5 $\mu$s, liés aux deux états d'excitation accessibles aux atomes du ICs, mais aussi à la géométrie du cristal, aux réflexions de photons sur les parois et au temps de réaction des circuits électroniques, qui allongent ces temps de scintillation mesurés. / The goal of this work is to optimize the digital processing of signals generated in the CsI crystal of an electromagnetic calorimeter, in the context of high counting rate experiments like Belle II. The scintillation from the crystal is converted into an electronic signal by a Hamamatsu photopentode with a gain of 150±2 electrons per photoelectron, to then be amplified by a preamplifier. The signal is then shaped by the shaper, a CR-(RC)^4 active filter, before it is digitized by an ADC, to be processed by the DSP. Using reference shapes, the DSP can extract the energy deposited by an incident particle and the time of occurence of it going through the crystal. To define the reference shapes, we determined that of the three approaches studied, which are experimental average shapes, the analytical function for an active filter and the sum of 3 gaussian functions, the best results were achieved using the last one, both with the pulse generator and the CsI crystal. Also, a conversion formula has been established to convert the measured signals' amplitudes into deposited energy in the crystal, despite a narrow dynamic range. We also observed average propagation times of the scintillation through the crystal of 47±4 ns and 3,4±0,5 $\mu$s, related to the two accessible excitation states of the CsI atoms, but also to the crystal's geometry, the reflections of photons on its surface and the reaction time of the electronics circuits, which make those scintillation times appear longer.

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. / The high transverse momentum photon production inproton-proton collisions (p-p) is described by perturbativequantum chromodynamics (pQCD). Among thesephotons, those produced directly by an energetic partonicinteraction (called direct photons) are of great interestsince their measurement allows to test pQCDpredictions and it allows also the constraint of protonstructure functions. The work of this thesis aims atstudying and measuring direct photons produced in p-pcollisions at 7 TeV with the ALICE detector. The ALICEelectromagnetic calorimeter (EMCal) is used to achievethis measurement which is based on an isolation procedurethat allows to reduce background coming fromother photon production modes (fragmentation, decay).Multiple aspects like EMCal data quality, photon identificationas well as spectrum correction and its normalizationare highlighted. Finally, the first isolated promptphoton cross-section measured with ALICE detector ispresented, compared to theoretical predictions and tothe last results from other LHC experiments.