Nous avons présenté dans cette habilitation à diriger des recherches une étude détaillée des désintégrations hadroniques des mésons B en résonance charmonium et kaon B→(J/ψ,ψ(2S),χc0,χc1,χc2)K(*). La description phénoménologique de ces désintégrations est rendue difficile par l'échange de gluons entre les particules de l'état final. L'hypothèse de factorisation, basée sur le principe de transparence de couleur, est fréquemment utilisée pour décrire ce type de processus. Nos mesures ont non seulement confirmé la non validité de cette hypothèse dans sa forme la plus simple (factorisation naive), mais ont aussi permis de quantifier les contributions non factorisables. Pour les trois résonances J/ψ,ψ(2S) et χc1, nous avons effectué la première mesure globale des rapports d'embranchement. La plupart de nos valeurs sont les plus précises publiées à ce jour. Nous avons aussi effectué la première analyse angulaire complête des trois résonances dont nous avons extrait la fraction de polarisation longitudinale. Nous avons confirmé les résultats précédents, avec une bien meilleure précision. La présence de phases fortes dans l'état final a aussi été confirmée par la mesure du décalage de près de 9 déviations standards par rapport à zéro de la différence δ║−δ⊥. Nos résultats sur le χc0 sont compatibles avec des prédictions phénoménologiques basée sur la présence de fortes contributions non factorisables. Les résultats sur le χc2 sont en revanche en désaccord avec ces prédictions. Enfin, nous avons pu faire une recherche de violation de CP directe par la mesure des corrélations de triples produits. Nous avons observé aucun signe de violation de CP.

Le Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur électron-positon développé pour prendre le relais du Grand Collisionneur de Hadrons LHC. Ce projet permettra d'étudier précisément les caractéristiques du nouveau boson de 125 GeV , découvert en 2012 par les expérience CMS et ATLAS, compatible avec le boson de Higgs du modèle standard. Cette expérience pourrait aussi permettre aux physiciens de mettre à jour des phénomènes physiques inconnus. Pour exploiter au maximum ce nouvel accélérateur, deux collaborations travaillent sur le développement de deux détecteurs : le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur au Silicium SiD. Ces détecteurs sont dits généralistes et sont optimisés pour la mise en oeuvre de technique de suivi des particules. Ils sont constitués d'un trajectographe dans leur partie centrale et de systèmes de calorimétrie. L'ensemble est inséré dans un aimant supraconducteur, lui même entouré d'une culasse instrumentée avec des chambres à muon. Le groupe lyonnais dans lequel j'ai effectué mes travaux de recherche pendant mon doctorat, a grandement participé au développement du calorimètre hadronique à lecture semi-digitale. Ce calorimètre ultra-granulaire fait partie des options pour le calorimètre hadronique du Grand Détecteur International. Un prototype a été construit en 2011. D'environ 1 m3, il est constitué de 48 chambres à plaque résistive de verre, comporte plus de 440000 canaux de lecture de 1 cm2 et pèse environ 10 tonnes. Ce calorimètre répond aux contraintes imposées pour le Collisionneur Linaire International (une haute granularité, une consommation électrique faible, une alimentation pulsée etc) et est régulièrement testé sur des lignes de faisceau au CERN. Les données ainsi collectées m'ont permis d'étudier en détail le phénomène de gerbe hadronique. De nombreux efforts ont été réalisé pour développer des méthodes efficace de reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques et pour améliorer la résolution en énergie du prototype SDHCAL. La simulation des gerbes hadroniques dans le SDHCAL constitue une part importante de mes travaux de recherche. Une simulation réaliste des chambres à plaque résistive de verre a été développée en étudiant la réponse du prototype au passage de muons et de gerbes électromagnétiques. J'ai alors confronté les modèles de simulation des gerbes hadroniques avec des données expérimentales. La granularité du SDHCAL rend aussi possible des études fines sur la topologie des gerbes hadroniques, notamment sur leur extension latéraleet longitudinale. J'ai finalement pu étudier, en m'appuyant sur mes travaux de simulations, la reconstruction de la masse des bosons W et Z dans une simulation complète du Grand Détecteur International. Cette étude permet d'estimer les performances de l'ILD avec le SDHCAL et les techniques de suivi des particules / The International Linear Collider ILC is an electron-positron collider project proposed to become the next particle collider after the Large Hadron Collider LHC. This collider will allow to study, in details, the new 125 GeV boson, discovered in 2012 by CMS and ATLAS experiments. This new particle seems compatible with the standard model Higgs boson. The International Collider may also allow physicists to discover new physics. In order to operate this new collider, two collaborations are developing two detectors : the International Large Detector ILD and the Silicon Detector SiD. These general-purpose detectors are optimised for particle flow algorithms. The team from Lyon in which I worked during my Ph.D., has widely participated in the development of the semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL. This high granular calorimeter is one option for the International Large Detector hadronic calorimeter. A prototype has been built in 2011. This 1 m3 prototype is made of 48 glass resistive plate chambers and contains more than 440000 electronic readout channels. This technological calorimeter is often tested with beam of particles at CERN. The collected allowed me to study the hadronic showers with many details. Methods to reconstruct precisely the hadronic showers energy has been developed in order to improve the SDHCAL energy resolution. My main contribution was the development of the hadronic shower simulation within the SDHCAL. A realistic simulation of the SDHCAL was performed by studying the SDHCAL response to the passage of muons and electromagnetic showers. I was then able to compared different simulation models with experimental data. The SDHCAL granularity allows precise studies on the hadronic showers topology, such as longitudinal and lateral shower extent. I finally worked on the W and Z boson mass reconstruction in a full simulation of the International Large Detector in order to study the performance of this calorimeter option with particle flow techniques

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

Les sections efficaces de production hadronique de particules supersymétriques ont été largement étudiées par le passé, aussi bien à l'ordre dominant qu'à l'ordre sous-dominant en QCD perturbative. Les corrections radiatives incluent de larges termes logarithmiques qu'il faut resommer à tous les ordres afin d'obtenir des prédictions consistantes. Dans ce travail, nous effectuons une première étude détaillée des effets de resommation pour la production hadronique de particules supersymétriques. Nous nous concentrons sur la production de type Drell-Yan de sleptons et sur la production associée d'un slepton et d'un sneutrino dans des scénarios de supergravité minimale et de brisure de supersymétrie véhiculée par interactions de jauge, et nous présentons des distributions d'impulsion transverse et de masse invariante, ainsi que des sections efficaces totales.<br /><br />Dans les modèles supersymétriques non minimaux, de nouveaux effets de violation de la saveur peuvent avoir lieu. Dans ce cas, la structure de saveur dans le secteur des squarks ne peut pas être déduite directement du couplage trilinéaire entre les supermultiplets de Higgs et de fermions. Nous effectuons une analyse numérique de l'espace des paramètres permis dans le cas de scénarios de supergravité minimale avec violation de la saveur non minimale, cherchant les régions permises par les mesures de précision électrofaibles, les observables à basse énergie et les données cosmologiques. La dépendance des sections efficaces à l'ordre dominant pour la production hadronique de squarks et de jauginos par rapport à la violation de la saveur non minimale est étudiée en détails.

Le futur collisionneur du CERN (le LHC) possède un fantastique potentiel de découverte à condition d'avoir une prédiction quantitative de la QCD. Pour ce faire, il est nécessaire d'effectuer des calculs dans l'approximation NLO de manière à réduire la dépendance de la section efficace en fonction des échelles non physiques. Pour obtenir des résultats dans cette approximation, il faut calculer les sections efficaces des sous-processus partoniques contribuant à la réaction étudiée à l'ordre le plus bas ainsi que les corrections virtuelles (une boucle) et réelles. Le calcul des corrections virtuelles reste très compliqué si le nombre de particules externes est supérieur à quatre ou si les particules externes (internes) sont massives.<br />Dans cette thèse est proposée une méthode automatique pour effectuer les calculs à une boucle et à cinq pattes, et qui peut être généralisée aux cas de particules massives.<br />Dans une première partie, nous décrirons divers outils et méthodes nécessaires à de tels calculs. Nous les appliquerons ensuite au calcul de la réaction (gluon + gluon -> photon + photon + gluon), qui intéresse les expérimentateurs des expériences ATLAS et CMS comme bruit de fond à la recherche du Higgs, notamment pour décrire correctement la queue de la distribution transverse du boson de Higgs. Sera alors présenté le résultat explicite de cette amplitude pour chaque configuration d'hélicités sous une forme compacte et une représentation clairement invariante de jauge. Nous terminerons par une étude phénoménologique de cette réaction.

Dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules, les constituants élémentaires de la matière identifiés à ce jour sont les quarks et les gluons, génériquement appelés partons et soumis à l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (QCD). Si les partons sont confinés dans les hadrons sous des conditions normales de température et de densité, l'existence d'un état déconfiné, le plasma de quarks et de gluons (QGP), a été prédite par la QCD pour des conditions thermodynamiques extrêmes. Cet état de la matière peut être atteint dans le cadre de collisions d'ions lourds ultrarelativistes telles qu'en produit le grand collisionneur de hadrons du CERN (LHC), et sondé à l'aide de multiples observables auxquelles peut accéder l'expérience ALICE en particulier. Les photons prompts, issus de processus partoniques de haute énergie, constituent à ce titre une sonde privilégiée de la matière hadronique. Insensibles à l'interaction forte, ils peuvent traverser le milieu déconfiné en conservant les informations primaires d'une collision et représentent ainsi une référence précieuse a priori non affectée par le QGP. Ces photons peuvent être identifiés à l'aide de techniques de calorimétrie électromagnétique et d'isolement. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, la production de photons isolés a été mesurée dans des collisions proton-proton et proton-plomb avec l'expérience ALICE. Les résultats obtenus sont compatibles avec des prédictions de QCD, y compris dans un régime cinématique inexploré jusqu'alors par cette observable. / In the Standard Model of particle physics, elementary constituents of matter identified to date are quarks and gluons, generically called partons and obeying the strong interaction described by quantum chromodynamics (QCD). While partons are confined in hadrons under standard temperature and density conditions, the existence of a deconfined state, quark-gluon plasma (QGP), has been predicted by QCD for extreme thermodynamic conditions. This state of matter can be reached in ultrarelativistic heavy-ion collisions such as produced at the CERN Large Hadron Collider (LHC) and can be probed with many observables accessible to the ALICE experiment in particular. Prompt photons, emitted by high-energy partonic processes, constitute a key probe of hadronic matter. Insensitive to the strong interaction they can traverse the deconfined medium preserving primary information about a collision, and thus represent a valuable reference not affected by QGP a priori. These photons can be identified with electromagnetic calorimetry and isolation techniques. Within this doctoral thesis, the isolated photon production has been measured in proton-proton and proton-lead collisions with the ALICE experiment. The results are in agreement with QCD predictions, including in a kinematic range unexplored by this observable thus far.

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées. / In the Standard Model of particle physics, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the quark mixing effect. The CKM gamma angle is one of the parameters of the Standard Model that are known less accurately. Direct measurements give an uncertainty of around 15º, large with respect to the uncertainty on the value extracted from global fits, of 3º. In order to test the Standard Model consistency, the gamma angle needs to be measured precisely. This can be done using processes at the tree-level, where only Standard Model contributions are expected, or using processes involving loop diagrams, which can be sensitive to physics beyond the Standard Model. Differences in the gamma measurement from tree and loop diagrams would be an indication of new physics. This thesis presents the first measurement of the CP observables in the B0 -> DK*0 decay. Sensitivity to gamma arises from the interference of the b -> u mediated amplitude with the b -> c one, at the tree-level. The CP asymmetry of the B0 -> D(K+K-)K*0 mode and the partial width ratio of this channel with respect to B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using 1 /fb of data collected by the LHCb experiment in 2011,A_KK_d = -0.452 +/- 0.230 +/- 0.025 = A_CP+,R_KK_d = 1.360 +/- 0.366 +/- 0.075 = R_CP+. The CP asymmetry of the suppressed B0 -> D(K-pi+)K*0 mode and the partial width ratio with respect to the favoured B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using the total 3 /fb of data collected in 2011 and 2012,A_sup_d = -0.094 +/- 0.318 = A_ADS,R_d = 0.075 +/- 0.023 = R_ADS. In addition, the studies performed on the hardware hadronic trigger of the LHCb experiment are also presented.

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La théorie de la Supersymétrie est étudiée ici en tant que théorie complémentaire au Modèle Standard, sachant que celui-ci n'explique qu'environ 5% de l'univers et est incapable de répondre à plusieurs questions fondamentales en physique des particules. Ce mémoire contient les résultats d'une recherche de Supersymétrie effectuée avec le détecteur ATLAS et utilisant des états finaux contenant entre autres une paire de leptons de même charge électrique ou trois leptons. Les données proviennent de collisions protons-protons à 13 TeV d'énergie dans le centre-de-masse produites au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en 2015. L'analyse n'a trouvé aucun excès significatif au-delà des attentes du Modèle Standard mais a permis tout de même de poser de nouvelles limites sur la masse de certaines particules supersymétriques. Ce mémoire contient aussi l'étude exhaustive d'un bruit de fond important pour cette analyse, soit le bruit de fond provenant des électrons dont la charge est mal identifiée. L'extraction du taux d'inversion de charge, nécessaire pour connaître combien d'événements seront attribuables à ce bruit de fond, a démontré que la probabilité pour que la charge d'un électron soit mal identifiée par ATLAS variait du dixième de pourcent à 8-9% selon l'impulsion transverse et la pseudorapidité des électrons. Puis, une étude fut effectuée concernant l'élimination de ce bruit de fond via l'identification et la discrimination des électrons dont la charge est mal identifiée. Une analyse multi-variée se servant d'une méthode d'apprentissage par arbres de décision, basée sur les caractéristiques distinctives de ces électrons, montra qu'il était possible de conserver un haut taux d'électrons bien identifiés (95%) tout en rejetant la grande majorité des électrons possédant une charge mal identifiée (90-93%). / Since the Standard Model only explains about 5% of our universe and leaves us with a lot of open questions in fundamental particle physics, a new theory called Supersymmetry is studied as a complementary model to the Standard Model. A search for Supersymmetry with the ATLAS detector and using final states with same-sign leptons or three leptons is presented in this master thesis. The data used for this analysis were produced in 2015 by the Large Hadron Collider (LHC) using proton-proton collisions at 13 TeV of center-of-mass energy. No excess was found above the Standard Model expectations but we were able to set new limits on the mass of some supersymmetric particles. This thesis describes in detail the topic of the electron charge-flip background, which arises when the electric charge of an electron is mis-measured by the ATLAS detector. This is an important background to take into account when searching for Supersymmetry with same-sign leptons. The extraction of charge-flip probabilities, which is needed to determine the number of charge-flip events among our same-sign selection, was performed and found to vary from less than a percent to 8-9% depending on the transverse momentum and the pseudorapidity of the electron. The last part of this thesis consists in a study for the potential of rejection of charge-flip electrons. It was performed by identifying and discriminating those electrons based on a multi-variate analysis with a boosted decision tree method using distinctive properties of charge-flip electrons. It was found that we can reject the wide majority of mis-measured electrons (90-93%) while keeping a very high level of efficiency for well-measured ones (95%).

Les rayons cosmiques d'ultra-hautes énergies (RCUHE), i.e. E > 1 EeV, soulèvent de nombreuses interrogations quant à leur origine et constituent un défi à la physique contemporaine. Ces rayons cosmiques qui pénètrent dans l'atmosphère dissipent leur exceptionnelle énergie dans la formation de gerbes de particules secondaires dont le développement est sensiblement différent suivant la nature de la particule primaire. L'étude de la composition des RCUHEs revêt donc un intérêt majeur tant dans la compréhension des processus hadroniques qui régissent l'évolution des gerbes que dans l'identification des sources de ce rayonnement. L'Observatoire Pierre Auger peut, eu égard à sa structure hybride et à la taille inégalée de son réseau de détecteurs au sol, apporter des réponses claires aux problématiques soulevées par les RCUHEs. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la composante muonique des gerbes atmosphériques. Dans un premier temps, nous montrons comment les paramètres hadroniques conditionnent la production de muons. Par la suite, nous présentons une méthode originale permettant d'extraire cette composante muonique et d'en déduire les implications relatives à la composition des RCUHEs. Les résultats de cette approche semblent indiquer une transition d'une composition lourde vers une composition plus légère dès lors que l'énergie augmente. Finalement nous abordons la mesure de la section efficace cosmique-air en décrivant les bases de cette étude de même que son champ d'application : les premiers résultats déduits des données de l'Observatoire Pierre Auger sont alors présentés.