This PhD thesis presents the measurement of the differential cross section for the production of a Z boson in association with jets in proton-proton collisions taking place at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, at a centre-of-mass energy of 8 TeV. A development of a data acquisition (DAQ) system for the Triple-Gas Electron Multiplier (GEM) detector in view of the Compact Muon Solenoid (CMS) detector upgrade is also presented.<p><p>The events used for the data analysis were collected by the CMS detector during the year 2012 and constitute a sample of 19:6 fb-& / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le sujet de cette thèse porte sur la recherche de nouvelles résonances massives se désintégrant en une paire d’électrons ou une paire électron-muon avec le détecteur CMS, installé auprès du Grand Collisionneur du Hadrons (LHC) au CERN. Les données analysées correspondent à l’ensemble des collisions proton-proton enregistrées par le détecteur en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. Après une brève introduction au modèle standard des particules élémentaires et à quelques unes des théories allant au-delà, le LHC et le détecteur CMS sont présentés. La reconstruction des différentes particules créées lors des collisions, en particulier des électrons et muons de haute énergie, est ensuite discutée. Deux analyses séparées sont menées.<p>La première consiste en la recherche d’une nouvelle résonance étroite, plus massive que le boson Z, dans le spectre de masse invariante des paires d’électrons, dont la principale contribution, dans le modèle standard, provient du processus de Drell–Yan. De telles résonances sont notamment prédites par des modèles dits de grande unification ou à dimensions spatiales supplémentaires. Le bruit de fond provenant des processus du modèle standard étant réduit dans la région étudiée, quelques événements localisés peuvent suffire pour mener à une découverte, et la sélection des électrons est optimisée afin de ne perdre aussi peu d’événements que possible. Les différentes contributions des bruits de fond sont partiellement estimées à partir de simulations. Une méthode basée sur le spectre de masse invariante des paires électron-muon mesuré dans les données est développée pour valider la contribution du second bruit de fond en terme d’importance. Aucun excès n’est observé par rapport aux prédictions du modèle standard et des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sont placées sur le rapport entre la section efficace de production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance et celle au pic du boson Z. Ces limites sont ensuite converties en limites inférieures sur la masse de différentes particules hypothétiques de spin 1 ou de spin 2.<p>La seconde analyse consiste en une recherche de résonances massives et étroites dans le spectre de masse invariante des paires électron-muon. De telles résonances briseraient la conservation du nombre leptonique tel que prédit par le modèle standard. Cette possibilité existe cependant dans certains modèles de nouvelle physique. C’est notamment le cas pour un modèle à dimensions supplémentaires où apparaissent des nouveaux bosons neutres lourds. La sélection des événements demande un électron de haute énergie comme dans l’analyse précédente, et un muon de grande impulsion transverse. La stratégie de recherche est similaire au cas des paires d’électrons :le fait de rechercher un signal étroit rend l’analyse statistique très peu sensible aux erreurs systématiques affectant la normalisation absolue du spectre de masse électron-muon. Comme aucune déviation significative n’est observée par rapport aux prévisions du modèle standard, des limites supérieures sur la section efficace multipliée par le rapport de branchement sont établies pour le modèle à dimensions spatiales supplémentaires. Étant données les faibles valeurs théoriques de la section efficace de production des résonances violant la conservation de la saveur dans ce modèle, la quantité de données analysées ne permet pas d’en déduire une limite inférieure sur leur masse. Cette analyse représente néanmoins la première recherche directe avec l’expérience CMS, de bosons massifs, se désintégrant avec violation du nombre leptonique, en une paire électron-muon.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The analysis presented in this thesis focuses on two methods developed to estimate, from data, the multi-jet and the V+jets background processes for top quark pair production occuring during proton-proton at LHC. Top quark paires are reconstructed using the CMS detector, exploiting the semi-leptonic decay channel. Both methods have been developed and studied using Monte-Carlo simulated data. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette these a pour sujet la recherche de nouvelle physique et l'etude de la production Drell-Yan dans le canal di-electron a l'aide du detecteur CMS au LHC. Certaines theories au dela du Modele Standard (extra dimensions, theories de grande unification) predisent l'existence de particules massives pouvant se desintegrer en une paire d'electrons. La selection des evenements recherches est presentee et etudiee. La strategie d'analyse est introduite et testee. Enfin, l'analyse des premieres donnees a 7 TeV est decrite et les resultats sont commentes. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Détection et identification de la réaction quark + anti-quark -> e+ + e- à l'aide du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) auprès du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Cette réaction permet de tester avec précision le Modèle Standard et de rechercher d'éventuelles nouvelles particules (Z') prédites par les théories de grande unification (GUT) et par les modèles à dimensions spatiales supplémentaires. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La recherche de la production de gluons lourds gKK, de type Kaluza-Klein dans la théorie avec dimensions supplémentaires, qui se désintègre en une paire de SM quark top (t¯t), ou en un VLQ top et un SM quark top (tT ), est présentée dans cette thèse. Cette recherche est basée sur les collisions de proton proton à 8 TeV, enregistrées durant l’année 2012 par le détecteur ATLAS au LHC, au CERN. La luminosité, correspondante à ces énergies de collisions, a été de 20.3 fb^−1. Dans le cas de gKK -> tT , trois types d’analyses ont été effectuées de façon indépendante: VLQ top (T) se désintégrant en un boson W et un quark b (T -> W b), avec un large rapport de branchement, VLQ top se désintégrant en un boson de Higgs composite et un SM quark top (T -> H t), avec un large rapport de branchement, et VLQ top se désintégrant en un boson Z et un SM quark top (T -> Z t). Dans chaque cas, les données, issues des collisions, sont étudiées dans des états finaux avec un lepton et des jets. Ces états sont caractérisés par un electron ou un muon isolé ayant une impulsion transverse large, une énergie transverse manquante et jets. Les spectres de la masse invariante de t¯t et de t¯t+jets, sont ensuite examinés, afin de vérifier un éventuel excès (ou un déficit) inconsistant avec les prédictions du Modèle Standard. Aucune évidence de résonance de paire de quarks top a été observée, et une limite d’échelle de confiance de 95% a été déterminée pour des résonances lourdes prévues par les modèles benchmark. D’une part, une résonance correspondant à un gluon de type Kaluza–Klein (de largeur de 15.3%) prévu par le modèle Randall–Sundrum, qui se désintègre avec un taux d’embranchement de 100% en une paire de SM quarks top a été exclue avec 95% de degré de confiance, jusque pour les masses inférieures à 2.0 TeV. D’autre part, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, dans le modèle composite avec des paramètres de benchmark pour des angles de mélange et une largeur de 10%, de masse 1.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top, et, un VLQ top de masse 0.6 TeV pour tous les embranchements propres à VLQ top, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Finalement, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, de largeur de 10%, ayant une masse de 2.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top et un VLQ top de masse 1.4 TeV, avec des scenarios qui respectent BR (T -> Wb) < 0.80, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Les échantillons utilisés lors de cette analyse ont été validés par la collaboration ATLAS, cependant les résultats montrés dans cette thèse n’ont pas été vérifiés par la collaboration ATLAS en vue d’une publication. / A search for production of the lightest Kaluza-Klein excitation of gluon (gKK), in theories with a warped extra dimension, that decays into Standard Model (SM) top quark pairs (t¯t) or into one vector-like top quark (VLQ top) in association with a SM top quark (Tt) is presented in this thesis. The search is based on proton proton collisions at 8 TeV recorded in 2012 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider and corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^−1. For the analysis of gKK -> tT , we performed targeting three cases: VLQ top (T) with significant branching ratio to a W boson and a b-quark (T -> W b), VLQ top with significant branching ratio to a composite Higgs boson and a standard model top quark (T -> H t) and VLQ top with significant branching ratio to a Z boson and a standard model top quark (T -> Z t). Data are analyzed in the lepton-plus-jets final state, characterized by an isolated electron or muon with high transverse momentum, large missing transverse momentum and multiple jets. The invariant mass spectrum of t¯t and t¯t + jets is examined for local excesses or deficits that are inconsistent with the Standard Model predictions. No evidence for a top quark pairs resonance is found, and 95% confidence-level limits on the production rate are determined for massive states in benchmark models. On the one hand, a Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 15.3% with a branching ratio of 100% into a SM top quark pairs in a Randall–Sundrum model, is excluded for masses below 2.0 TeV. On the other hand, in a composite model where the heavy gluon decays to tT , using benchmark parameters for mixing angles, a 1.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 10% that decay to one SM and a 0.6 TeV VLQ top, considering any VLQ top branching ratio scenario, is excluded at 95% Confidence Level (CL). Finally, a 2.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon, of width 10%, that decays into one SM in association with a 1.4 TeV VLQ top, with any scenario with BR (T -> Wb) < 0.80, is excluded at 95% CL. The samples used in these analyses were validated by ATLAS collaboration, however the results shown in this thesis were not reviewed by the ATLAS collaboration for publication.

In recent years, there has been a large interest in the subject of extra dimensions in particle physics. In particular, a number of models have been suggested which provide solutions to some of the problems with the current Standard Model of particle physics, and which could be tested in the next generation of high-energy experiments. Among the most important of these models are the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopoulos, and Dvali, the universal extra dimensions model, and models allowing right-handed neutrinos to propagate in the extra dimensions. In this thesis, we study phenomenological aspects of these three models, or simple modifications of them.   The Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali model attempts to solve the gauge hierarchy problem through a volume suppression of Newton's gravitational constant, lowering the fundamental Planck scale down to the electroweak scale. However, this solution is unsatisfactory in the sense that it introduces a new scale through the radius of the extra dimensions, which is unnaturally large compared to the electroweak scale. It has been suggested that a similar model, with a hyperbolic internal space, could provide a more satisfactory solution to the problem, and we consider the hadron collider phenomenology of such a model.   One of the main features of the universal extra dimensions model is the existence of a potential dark matter candidate, the lightest Kaluza-Klein particle. In the so-called minimal universal extra dimensions model, the identity of this particle is well defined, but in more general models, it could change. We consider the indirect neutrino detection signals for a number of different such dark matter candidates, in a five- as well as a six-dimensional model.   Finally, right-handed neutrinos propagating in extra dimensions could provide an alternative scenario to the seesaw mechanism for generating small masses for the left-handed neutrinos. Since extra-dimensional models are non-renormalizable, the Kaluza-Klein tower is expected to be cut off at some high-energy scale. We study a model where a Majorana neutrino at this cutoff scale is responsible for the generation of the light neutrino masses, while the lower modes of the tower could possibly be observed in the Large Hadron Collider. We investigate the bounds on the model from non-unitarity effects, as well as collider signatures of the model. / QC 20110324

The beam intensity of the Large Hadron Collider will be significantly increased during the Phase-II long shut down of 2024-2026. Signal processing techniques that are used to extract the energy of detected particles in ATLAS will suffer a significant loss in performance under these conditions. This study compares the presently used optimal filter technique to alternative machine learning algorithms for signal processing. The machine learning algorithms are shown to outperform the optimal filter in many relevant metrics for energy extraction. This thesis also explores the implementation of machine learning algorithms on ATLAS hardware. / Graduate

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