Grâce à l’exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S’inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d’une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d’exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l’unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l’invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l’ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d’une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider. / With the start of the Large Hadron Collider runs, in 2010, particle physicists will be soon able to have a better understanding of the electroweak symmetry breaking. They might also answer to many experimental and theoretical open questions raised by the Standard Model. Surfing on this really favorable situation, we will first present in this thesis a highly modelindependent parametrization in order to characterize the new physics effects on mechanisms of production and decay of the Higgs boson. This original tool will be easily and directly usable in data analysis of CMS and ATLAS, the huge generalist experiments of LHC. It will help indeed to exclude or validate significantly some new theories beyond the Standard Model. In another approach, based on model-building, we considered a scenario of new physics, where the Standard Model fields can propagate in a flat six-dimensional space. The new spatial extra-dimensions will be compactified on a Real Projective Plane. This orbifold is the unique six-dimensional geometry which possesses chiral fermions and a natural Dark Matter candidate. The scalar photon, which is the lightest particle of the first Kaluza-Klein tier, is stabilized by a symmetry relic of the six dimension Lorentz invariance. Using the current constraints from cosmological observations and our first analytical calculation, we derived a characteristic massrange around few hundred GeV for the Kaluza-Klein scalar photon. Therefore the new states of our Universal Extra-Dimension model are light enough to be produced through clear signatures at the Large Hadron Collider. So we used a more sophisticated analysis of particle mass spectrum and couplings, including radiative corrections at one-loop, in order to establish our first predictions and constraints on the expected LHC phenomenology

Les extensions du Modèle Standard (MS) des particules sont maintenant dans une époque de développement très actif. Les motivations de l'introduction des dimensions supplémentaires sont basées d'une part sur la théorie des cordes qui nécessitent l'existence de nouvelles dimensions pour être cohérent. D'un autre côté ces théories peuvent potentiellement expliquer le problème de hiérarchie, le nombre de générations de fermions ou la stabilité du proton. La caractéristique commune de ces modèles est qu'ils fournissent une nouvelle particule neutre interagissant faiblement –un candidat idéal de la matière noire. Sa stabilité est préservée par la parité KK qui interdit les désintégrations du LKP en particules du MS. La géométrie de l'espace sous-jacent détermine le spectre de particules du modèle donc la masse et le spin du candidat DM, qui à leur tour jouent un rôle clé dans les études phénoménologiques. Nous présentons un modèle à deux dimensions supplémentaires universelles compactifiées sur le plan projectif réel. Cette géométrie particulière permet la définition des fermions chiraux et la stabilité de la matière noire neutre candidat dérive naturellement des propriétés intrinsèques de l'espace sans ajouter de nouvelles symétries ad hoc. Nous présentons le spectre de deux premiers niveaux KK à une boucle. Le spectre au sein de chaque niveau KK est fortement dégénéré ce qui fournit des signatures très intéressantes du modèle. Nous étudions la phénoménologie de la matière noire dans notre modèle pour limiter l'espace des paramètres en comparant nos résultats avec les données de WMAP et les expériences de détection directe. En utilisant les bornes obtenues, nous nous concentrons sur la phénoménologie LHC de notre modèle / The extra-dimensional extensions of the Standard Model of particles are now in a very active epoch of development. The motivations of introducing extra dimensions are based on one hand on string theories that require the existence of new dimensions to be consistent. On the other hand such theories can potentially explain the hierarchy problem, number of fermion generations, proton stability and other enigmas of the Standard Model. The common feature of these models is that they provide a new neutral weakly interacting particle - perfect candidate to the Dark Matter. Its stability is preserved by the so-called KK parity which prohibits the decays of the LKP into SM particles. The geometry of the underlying space determines the particle spectrum of the model, thus the mass and the spin of the DM candidate, which in turn plays the key role in the phenomenological studies We present a model with two universal extra dimensions compactified on a real projective plane. This particular geometry is chosen because chiral fermions can be defined on such orbifold and the stability of the neutral dark matter candidate arise naturally from the intrinsic geometrical properties of the space without adding any new symmetries ad hoc. We present the particle spectrum at loop order up to the second level in Kaluza-Klein expansion. The particularity of the spectrum is that the mass splittings within each KK level are highly degenerated providing a very interesting potential signatures in the LHC. We study the dark matter phenomenology in our model and constrain the parameter space by comparing our results with WMAP data and direct detection experiments. Using the obtained bounds we focus on the collider phenomenology of our model

Cette thèse, articulée en deux parties, présente le calcul des corrections radiatives à la diffusion Compton virtuelle (VCS) et décrit la méthode magnétique (projet ARC) adoptée dans le Hall A à Jefferson Lab. pour mesurer l'énergie absolue du faisceau d'électrons avec une précision de 10-4.<br /><br />Les expériences de diffusion Compton virtuelle nous permettent d'accéder à de nouvelles observables du proton : les polarisabilités généralisées. L'extraction de ces polarisabilités s'effectuant par comparaison des sections efficaces expérimentale et théorique, il est indispensable de contrôler avec une grande précision les erreurs systématiques et les effets radiatifs liés à l'expérience. Un calcul complet des corrections radiatives internes a donc été mené dans le cadre de l'électrodynamique quantique. Ce calcul inédit tient compte de tous les graphes contribuant à l'ordre alpha^4 au niveau de la section efficace à l'exception de ceux mettant en jeu l'échange de deux photons entre les bras leptonique et hadronique ainsi que ceux relatifs au rayonnement du proton. La méthode de régularisation dimensionnelle a été employée pour le traitement des divergences ultraviolettes et infrarouges. Après utilisation d'une procédure d'addition-soustraction, la compensation infrarouge est vérifiée. Nous avons privilégié le calcul analytique pour les intégrales les plus internes et avons eu ensuite recours à un traitement numérique spécifique. Les résultats présentés correspondent aux différentes cinématiques de l'expérience VCS qui s'est déroulée à TJNAF en 1998. <br /><br />La méthode de mesure absolue d'énergie que nous avons développée s'appuie sur la déviation magnétique, constituée de huit dipôles identiques, conduisant le faisceau de l'accélérateur au hall A expérimental. L'énergie est déterminée à partir de la mesure absolue de l'angle de déviation du faisceau dans le plan horizontal et de la mesure absolue de l'intégrale de champ magnétique le long de la déviation magnétique. La mesure de l'angle de déviation se décompose en une mesure ponctuelle d'un angle de référence (par une méthode optique d'autocollimation) et en une mesure « en ligne » des déviations angulaires du faisceau par rapport à cet angle de référence (utilisation de quatre profileurs à fil : une paire en amont et une paire en aval de l'arc). L'intégrale de champ absolue le long de la déviation résulte, elle, de la mesure ponctuelle de la somme des intégrales de champ relatives des huit dipôles de l'arc par rapport à un aimant de référence et de la mesure « en ligne » de l'intégrale de champ de cet aimant de référence alimenté en série avec les huit autres de l'arc.

Cette thèse se situe à mi-chemin entre la phénoménologie et la physique de particules expérimentale. Dans la première partie, nous décrivons un calcul de section efficace à order supérieur en développement perturbatif, ainsi que son implementation dans un générateur d'événements Monte Carlo. Nous présentons les corrections au premier order en chromodynamique quantique pour la production de boson de Higgs chargé en association avec un quark top au LHC, en utilisant le formalisme de soustraction de Catani et Seymour. Notre code indépendant nous a permis de valider les résultats donnés par MC@NLO, et nous avons réalisé des études concernant diverses contributions aux erreurs systématiques dues à la simulation d'événements. L'implémention du processus a été réalisée pour le générateur POWHEG. En raison de la quantité de données insuffisante disponible fin 2010 (le détecteur ATLAS a accumulé 35 pb-1 de données de collisions proton-proton), le processus de production de Higgs chargé n'a pas pu être étudié et nous nous sommes tournés vers la caractérisation de bruits de fonds. Dans ce contexte, il s'avère que la production de boson W en association avec un quark top est importante à connaître. Dans la seconde partie de cette thèse, nous mettons en place une analyse spécifique au canal Wt semileptonique, en incluant les effets statistiques et systématiques, pour lesquels nous nous concentrons plus particulièrement sur l'effet dû aux différentes paramétrisations du contenu des protons. Le processus Wt étant inobservable au Tévatron, nous pouvons pour la première fois donner une limite à la setion efficace de production. / This thesis is intended as a bridge between the two highly specialised domains of phenomenology and experimental particle physics. The first part describes in detail a higher order cross section calculation and implementation into a Monte Carlo event generator. We present the calculation of the next-to-leading order (NLO) quantum chromodynamic corrections for charged Higgs boson production in association with a top quark at the LHC, using the Catani-Seymour dipole subtraction method. Building an independent NLO code enabled us to cross-check the implemented version of MC@NLO, and a few studies have been made which focus on different contributions to the theoretical uncertainty attached to the NLO calculation. The actual implementation was performed for another NLO event generator, POWHEG. Considering the small production cross section of charged Higgs production associated with a top quark, an analysis of this channel using the 35 pb-1 of data collected with the ATLAS detector in 2010 from the proton-proton collisions of the LHC, makes no sense, and we switch to a very similar SM channel, namely Wt production. In the second part, we set-up a dedicated analysis for semileptonic Wt and focus on the evaluation of the PDF systematic uncertainty, following the PDF4LHC recommendation. The electroweak single top production cross section at the Tevatron is so low that it hasn't been observed until today, so we are able to set the world's first limit on its production cross section and include the most important systematic uncertainties in our analysis.

Cette thèse porte sur le calcul des corrections radiatives supersymétriques pour des processus entrants dans le calcul de la densité relique de matière noire, dans le MSSM et le scénario cosmologique standard, ainsi que sur l'influence du choix du schéma de renormalisation du secteur des neutralinos/charginos à partir de la mesure de trois masses physiques. Cette étude a été faite à l'aide d'un programme automatique de calcul à une boucle d'observables physiques dans le MSSM, appelé SloopS. Pour le calcul de la densité relique nous nous sommes penchés sur des scénarios où le candidat supersymétrique le plus étudié, le neutralino, se désintégrait en majoritairement en bosons de jauge. Nous avons couvert les cas où sa masse était de l'ordre de quelques centaines de GeV jusqu'à 2 TeV. Cela a nécessité la prise en compte complète des corrections électrofaibles et fortes, impliquées dans des processus sous-dominants impliquant des quarks. Dans le cas des neutralinos très lourds deux effets importants ont été mis à jour : les amplifications de type Sommerfeld dues aux bosons de jauge massifs et peut-être plus important encore des corrections de type Sudakov.