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In this thesis, I describe the first calibration of the T2K ND280 electromagnetic calorimeter using cosmic muons. T2K is a long baseline neutrino oscillation experiment whose main aim is to observe for the first time the νμ→νe oscillations. A complete understanding of the νμ disappearance or νμ→νx oscillations, x = μ or τ , and neutrino-nucleon interactions will complete the T2K physics programme. T2K produces an intense muon neutrino beam at the J-PARC facility on Japan's East coast. This neutrino beam is then detected twice: once 280 m from its start by ND280 - whose purpose is to characterise the beam - and then again 295 km away at the far detector SuperKamiokande on the West coast of Japan. One of the components of the ND280 detector is the electromagnetic calorimeter. A thorough understanding of the electromagnetic calorimeter is crucial. In this thesis I first describe the quality assurance of the photosensors used in the calorimeter. Then I describe the cosmic muon flux simulation, that I adapted from CORSIKA for the electromagnetic calorimeter studies, and now adopted by the whole T2K collaboration. This is followed by a description of calibration of the calorimeter using the cosmic muon flux, in particular the light yield attenuation, and finally the comparison of the results obtained with cosmic muons taken at two different locations, CERN and Tokai. Moreover, I describe the ND280 Workbook, an online guide to the ND280 software, including tutorials and information for all the ND280 collaborators, that I developed in its entirety.

One of the biggest quests in nuclear and particle physics in the last three decades is to unravel the spin structure of hadrons like protons and neutrons. Spin not only plays a central role in the strong force connecting the elementary constituents of matter, but is also responsible for many of its fundamental properties including the magnetic moment which defines the magnetic properties, the different phases in low temperature physics, and the stability of the universe in general. The origin of the spin of particles like protons and neutrons, which make up to 99.9% of the visible universe, has been the focus of experimental and theoretical efforts. Experiments at European Muon Collaboration (EMC) found that our knowledge of how the spin of the nucleon is derived from its elementary constituents is naive, and our interpretations are not valid. This was termed the spin crisis, an outstanding puzzle for more than three decades and is still not solved. Deciphering the spin puzzle requires knowing the spin of elementary constituents of these particles, quarks and gluons. One of the major objectives of the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) spin program at Brookhaven National Laboratory is the measurement of the gluon helicity contribution to the proton spin via measuring the double helicity asymmetry (ALL) in various channels. In Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment (PHENIX) we measure ALL in π0 meson production. The π0 meson is reconstructed through its di-photon decay channel. The photons are detected by the PHENIX Electromagnetic Calorimeter, which consists of lead glass and lead scintillator detectors and covers a rapidity of |η|< 0.35 and azimuthal angle of 180°. In this dissertation, the results of ALLin π0 production from the data collected in 2013 at center of mass energy = 510 GeV are presented. In 2013, the total integrated luminosity is 150 pb-1 which is almost ten times the total luminosity recorded in 2009 at center of mass energy = 200 GeV. Due to the increase in the center of mass energy and integrated luminosity, these measurements cover the Bjorken x range down to ~0.01. A non-zero ALL result is observed that is consistent with positive gluon polarization in the probed kinematics.

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.

Dans cette thèse, la recherche de neutrinos lourds droitiers à travers la désintégration d'un boson W droitier (Wʀ) en deux leptons et deux jets avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée.Le boson Wʀ se désintègre en un lepton et un neutrino massif (Nʀ), et le neutrino se désintègre en un autre lepton de la même saveur et en une paire de jets. Les données recueillies par l'expérience CMS dans les collisions proton-proton à 13 TeV en 2016 correspondant à une luminosité totale intégrée de 35.9 fb ⁻¹ ont été utilisés pour cette analyse.Ces neutrinos lourds manquent dans le Modèle Standard (SM) de la physique des particules et ils sont donc importants pour faire la lumière sur la physique au-delà du SM. Mes principales contributions ont été la simulation et la validation des échantillons de signaux, l'estimation de l'un des principaux bruit de fonds, la production des limites 1D et 2D sur la section transversale du Wʀ (en fonction de la masse du Wʀ et de la masse du Wʀ par rapport à la masse du Nʀ, et l'analyse statistique et systématique. Les résultats obtenus avec cette analyse donnent les limites les plus strictes à ce jour.Des études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique de CMS pour la Phase II du LHC, qui prévoit un remplacement partiel de l'électronique dans le tonneau, sont également présentés. Mes principales contributions ont été dans la préparation de l'installation et dans la prise de données des test beams réalisée à la ligne de faisceau H4 dans la zone SPS Nord du CERN,dont le but était d'étudier la performance du prototype pour les nouvelles Very-Front-End cartes (CATIA chips avec un ADC de 160 MHz), et dans l'étude des formes et bruit des signaux recueillis par une matrice de 5 x 5 cristaux pour calculer leur timing et leur résolution énergétique.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique au delà du Modèle Standard, en particulier sur les neutrinos lourds, suivi d'une description du détecteur CMS et de son calorimètre électromagnétique. Les études pour l'amélioration du calorimètre électromagnétique sont présentées dans un chapitre dédié, puis l'analyse sur la recherche de neutrinos lourds et un aperçu de la physique des neutrinos au LHC et autres expériences sont décrits. / In this thesis, the search for heavy right-handed neutrinos through the decay of a right-handed W (Wʀ) boson into two leptons and two jets with the CMS experiment at the Large Hadron Collider is presented. The Wʀ boson decays into a lepton and a massive neutrino (Nʀ), and the neutrino decays into another lepton of the same flavor and into a pair of jets. The data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at 13 TeV during 2016 and corresponding to a total integrated luminosity of 35.9 fb ⁻¹ were used for this analysis. These heavy neutrinos are missing in the Standard Model (SM) of particle physics and thus they are important to shed light on physics beyond the SM. My main contributions were the simulation and validation of the signal samples, the estimation of one of the main backgrounds, the production of the 1D and 2D limits on the Wʀ cross section (as a function of the Wʀ mass and of the Wʀ mass versus Nʀ mass), and the systematics and statistical analysis. The results obtained with this analysis give the most stringent limits to date.Studies on the upgrade of the CMS electromagnetic calorimeter for the LHC Phase II, that foresees a partial replacement of the electronics in the barrel, are also presented. My main contributions were in the preparation of the setup and in the data taking of test beams performed at the H4 beam line in the SPS North Area of CERN, whose goal was to study the performance of the prototype for the new Very-Front-End boards (CATIA chips with 160 MHz ADC), and in studying the shapes and noise of the signals collected by a matrix of 5 x 5 crystals calculating their timing and energy resolution.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and the physics beyond the Standard Model, in particular on heavy neutrinos, followed by a description of the CMS detector and its electromagnetic calorimeter. The upgrade studies on the electromagnetic calorimeter are presented in a dedicated chapter, then the analysis on the search for heavy neutrinos and an overview on the overall neutrino physics at the LHC and other experiments are described.

Der zukünftige Linearbeschleuniger (International Linear Collider - ILC) wird für die Teilchenforschung im Energiebereich bis zu einem Tera-Elektronenvolt (TeV scale) entwickelt. In dieser Arbeit wird der Entwurf des inneren Vorwärtsbereichs (Very Forward Region) eines Detektors füur diesen Beschleuniger beschrieben. Das Beam-Kalorimeter - eines der zwei elektromagnetischen Kalorimeter, die hier angeordnet sind - ist Gegenstand dieser Arbeit. Das Beam-Kalorimeter muss eine gute Hermetizität für hochenergetische Elektronen, Positronen und Photonen bis hinab zu sehr kleinen Polarwinkeln gewährleisten. Es dient für die schnelle Strahldiagnose und als Abschirmung des inneren Detektors gegen rückgestreute Beamstrahlungsreste und Synchrotronstrahlung. Als eine mögliche Technologie für das Beam-Kalorimeter wird eine Sandwich-Anordnung aus Diamantsensoren und Wolfram- Absorberplatten betrachtet. Es werden detaillierte Simulationen einer solchen Anordnung durchgeführt. Die Nachweiseffektivität und die Energie- sowie Winkelauflösung für elektromagnetische Schauer werden untersucht. Im Ergebnis der Simulationsrechnungen wird nachgewiesen, dass die vorgeschlagene Anordnung die Anforderungen an ein Beam-Kalorimeter erfüullt. Zusätzlich werden Untersuchungen an polykristallinem Diamantmaterial, hergestellt mittels Abscheidung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition - CVD), durchgeführt, um dessen Eigenschaften als Sensormaterial für ein Beam-Kalorimeter zu ermitteln. Die Ergebnisse der Messungen von Mustern verschiedener Hersteller werden dargestellt diskutiert. / The International Linear Collider (ILC) is being designed to explore particle physics at the TeV scale. The design of the Very Forward Region of the ILC detector is considered in the presented work. The Beam Calorimeter - one of two electromagnetic calorimeters situated there - is the subject of this thesis. The Beam Calorimeter has to provide a good hermeticity for high energy electrons, positrons and photons down to very low polar angles, serve for fast beam diagnostics and shield the inner part of the detector from backscattered beamstrahlung remnants and synchrotron radiation. As a possible technology for the Beam Calorimeter a diamond-tungsten sandwich calorimeter is considered. Detailed simulation studies are done in order to explore the suitability of the considered design for the Beam Calorimeter objectives. Detection efficiency, energy and angular resolution for electromagnetic showers are studied. At the simulation level the diamond-tungsten design is shown to match the requirements on the Beam Calorimeter performance. Studies of polycrystalline chemical vapour deposition (pCVD) diamond as a sensor material for the Beam Calorimeter are done to explore the properties of the material. Results of the measurements performed with pCVD diamond samples produced by different manufacturers are presented.

In preparation for the large backgrounds expected to be present in the Belle II detector from the SuperKEKB e+e- collider, the radiation hardness of several large (5 x 5 x 30 cm3) thallium doped cesium iodide (CsI(Tl)) scintillation crystals are studied. The crystal samples studied consist of 2 spare crystals from the Belle experiment using PIN diode readout and 7 spare crystals from the BaBar experiment using photomultiplier tube readout. The radiation hardness of the scintillation properties of the CsI(Tl) crystals was studied at accumulated 1 MeV photon doses of 2, 10 and 35 Gy. At each dose, the longitudinal uniformity of the crystals light yield, scintillation decay times, time resolution and energy resolution was measured. As the Belle II collaboration is considering an upgrade to pure CsI crystals if CsI(Tl) does not satisfy radiation hardness requirements, the scintillation properties of a pure CsI scintillation crystal were also measured and compared to the CsI(Tl) crystal measurements. In addition to experimental work, Monte Carlo simulations using GEANT4 were written to compare ideal pure CsI and CsI(Tl) crystals and to study the effects of radiation damage on the performance of the Belle II electromagnetic calorimeter. / Graduate

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.

This document, prepared to obtain the "Habilitation à Diriger des Recherches", is a compendium of the photon-related analysis activities I carried on within ATLAS in the past four years and a half. The activities I will describe can be broadly classified into three categories: optimization and/or in situ measurement of photon-related performance, measurements of the cross sections of Standard Model processes producing prompt photons, and searches (leading to discovery!) of a Standard Model Higgs boson decaying to final states containing photons.

La physique nucléaire de haute énergie a pour objet l'étude des propriétés du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG), un nouvel état de la matière composée de quarks et de gluons asymptotiquement libres. Selon les calculs de la ChromoDynamique Quantique (CDQ) sur réseau, une transition de la matière nucléaire vers un PQG doit se produire pour des densités d'énergie au-delà de ~ 1 GeV/fm3 (correspondant à une température ~ 150 - 200 MeV). De telles conditions extrêmes de température et de densité d'énergie sont réalisées en laboratoire en utilisant des collisions ions lourds aux énergies ultra-relativistes. Le PQG ainsi créé est cependant si fugace qu'il ne peut être étudié que par des sondes internes produites au sein même de la collision mais à des échelles de temps bien inférieures à celle du PQG. Ces sondes dites dures vont alors être modifiée suite à leur interaction avec le PQG, de cette modification s'ensuit l'inférence des propriétés de transport du PQG.Cette thèse porte sur la mesure des jets comme sondes dures du PQG, elle s'articule selon deux axes complémentaires : le développement d'un nouvel algorithme de déclenchement calorimétrique de l'expérience ALICE pour le Run 2 du LHC afin d'efficacement sélectionner les événements contenant une gerbe électromagnétique, ainsi que la mesure de la production inclusive de jets chargés dans les collisions Pb-Pb à l'énergie la plus élevée à ce jour de 5.02 TeV auprès du LHC. Un des défis majeurs de la mesure des jets dans les collisions d'ions lourds consiste à séparer les jets de l'événement sous-jacent. L'approche retenue dans ce travail repose sur une évaluation événement par événement de l'amplitude de cet événement sous-jacent qui est alors soustraite des jets reconstruits. Les fluctuations résiduelles de ce bruit de fond sont par la suite corrigées par une méthode de déconvolution adaptée. Enfin, afin de réduire au maximum la contamination du bruit de fond combinatoire, une coupure de 5 GeV/c sur l'impulsion transverse du constituant prééminent est appliquée.La mesure des facteurs de modification nucléaire des jets montrent une très forte suppression que l'on attribue à la perte d'énergie des partons dans le PQG. Dans ce travail de thèse, une étude phénoménologique de cette manifestation qualifiée "d'étouffement des jets" à partir d'une observable originale, est présentée. Cette étude met en évidence plusieurs résultats fondamentaux : une perte d'énergie constante dans le domaine d'impulsion transverse de jet mesuré (jusqu'à 100 GeV/c), plus prononcée qu'à plus basse énergie et montrant une dépendance quadratique avec la longueur de parcours dans le milieu suggérant la prépondérance d'une perte d'énergie des partons par radiation de gluons. / High-energy nuclear physics aims at revealing the properties of Quark-Gluon Plasma (QGP),a new state of matter consisting of asymptotically free strong-interacting quarks and gluons. According to lattice QCD calculation, a transition from normal nuclear matter to a QGP is expected for energy densities exceeding the critical threshold of Ec ~ 1 GeV/fm3 (Tc ~ 150 - 200 MeV). Such extreme conditions of temperature and energy density are met in laboratory by smashing heavy nuclei at ultrarelativistic energies. The QGP thus created is however so short lived that it can only be resolved by self-generated hard probes, namely produced together with the medium but on a much shorter time scale. By subsequently interacting with the expanding QGP, these well calibrated probes carry valuable information about its transport properties.The purpose of this thesis is the measurement of jets as hard probes of the QGP along two complementary directions: by developping a new ALICE jet calorimeter trigger algorithm for LHC Run 2 to efficiently select events containing high energy electromagnetic showers and measuring charged jet production cross sections in Pb-Pb collisions at highest-ever centre of mass energy of 5.02TeV provided by the LHC. One of the basic challenges facing jet measurement in heavy-ion collisions consists in separating jets from the soft underlying event. The magnitude of the underlying event is quantified on an event-by-event basis and subtracted from the reconstructed jets. The remaining background fluctuations and detector effects are corrected at the event-ensemble level by an unfolding method. Furthermore, in order to minimise the fake jet contamination, a leading track jet transverse momentum cut-off of 5 GeV/c is applied.A strong suppression of jet production in the most central heavy-ion collisions is observed and quantified by the measurement of the nuclear modification factor, RAA. Such a suppression is interpreted as the result of parton energy loss in the QGP, the so-called jet quenching phenomenon. In this thesis, a phenomenological study with an original experimental observable of jet quenching (the energy shift) is presented. The key findings from this study are that the energy loss is constant in the measured jet transverse momentum range (up to ~ 100 GeV/c), of larger amplitude than at lower collision energy, and with a quadradic path-length dependence supporting the assumption that gluon radiation is the dominant mechanism at work.