La première prise des données du LHC (2010-2012) a été marquée par la découverte du boson scalaire, dit boson de Higgs. Sa masse a été mesurée avec une précision de 0.2% en utilisant ses désintégrations en deux photons et celles en deux bosons Z donnant quatre leptons dans l’état final. Les couplages ont été estimés en combinant plusieurs états finaux, tandis que la précision sur leur mesure pourra bénéficier énormément de la grande statistique qui sera accumulée pendant les prochaines périodes de prise des données au LHC (Run 2, Phase 2).Le canal H→ZZ*→4 leptons, a un rapport d'embranchement réduit mais présente un faible bruit de fond, ce qui le rend attractif pour la détermination des propriétés du nouveau boson. Dans cette thèse, l’analyse conduite pour la mise en évidence de ce mode dans l’expérience ATLAS est détaillée, avec un poids particulier porté à la mesure et au contrôle du bruit de fond réductible en présence d’électrons.Dans le cadre de la préparation de futures prises de données à très haute luminosité, prévues à partir de 2025, deux études sont menées:La première concerne l’observabilité du mode de production du boson de Higgs en association avec des quarks b. Une analyse multivariée, basée sur des données simulées, confirme un très faible signal dans le canal H→2 photons.La seconde concerne la conception et le développement d’un détecteur interne en silicium, adapté à l’environnement hostile, de haute irradiation et de taux d’occupation élevée, attendues pendant la Phase 2 du LHC. Des études concernant l’optimisation de la géométrie, l’amélioration de l’efficacité ainsi que la résistance à l’irradiation ont été menées. A travers des mesures SiMS et des simulations des procédés de fabrication, les profiles de dopage et les caractéristiques électriques attendues pour des technologies innovantes sont explorés. Des prototypes ont été testés sous faisceau et soumis à des irradiations, afin d’évaluer les performances du détecteur et celles de son électronique associée. / The discovery of a scalar boson, known as the Higgs boson, marked the first LHC data period (2010-2012). Using mainly di-photon and di-Z decays, with the latest leading to a four leptons final state, the mass of the boson was measured with a precision of <0.2%. Relevant couplings were estimated by combining several final states, while corresponding uncertainties would largely benefit from the increased statistics expected during the next LHC data periods (Run 2, Phase 2).The H→ZZ*→4l channel, in spite of its suppressed brunching ratio, benefits from a weak background, making it a prime choice for the investigation of the new boson’s properties. In this thesis, the analysis aimed to the observation of this mode with the ALTAS detector is presented, with a focus on the measurement and control of the reducible electron background.In the context of preparation for future high luminosity data periods, foreseen from 2025 onwards, two distinct studies are conducted:The first concerns the observability potential of the Higgs associated production mode in conjunction with two b-quarks. A multivariate analysis based on simulated data confirms a very weak expected signal in the H→di-photon channel.The second revolves around the conception and development of an inner silicon detector capable of operating in the hostile environment of high radiation and increased occupancy, expected during LHC Phase 2. Main studies were concentrated on improving radiation hardness, geometrical and detection efficiency. Through fabrication process simulation and SiMS measurements, doping profiles and electrical characteristics, expected for innovative technologies, are explored. Prototypes were designed and evaluated in test beams and irradiation experiments in order to asses their performances and that of associated read-out electronics.

SuperKEKB est un collisionneur à très haute luminosité construit pour l’expérience Belle II, constitué d’un anneau de basse énergie (LER) transportant des positrons de 4 GeV et d’un anneau de haute énergie (HER) où circulent des électrons de 7 GeV. Sa mise en service -ou commissioning- se déroulera en trois phases : La phase 1, durant laquelle des faisceaux circulent sans être focalisés au point de collision, a pour but de nettoyer la chambre à vide du gaz résiduel. La seconde phase, où le détecteur Belle II sera en partie installé, permettra le réglage du système de focalisation finale des faisceaux, jusqu’à atteindre une luminosité de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. La troisième phase correspondra au démarrage de l’expérience Belle II avec une luminosité visée de 10³⁵ cm⁻² s⁻¹ à 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. Dans ce cadre, ma thèse porte sur la conception et la mise en place d’un système permettant le monitorage rapide de la luminosité, système nécessaire pour pouvoir corriger en temps réel les instabilités des faisceaux et ainsi maintenir une luminosité optimale. Afin d’atteindre la haute précision relative souhaitée, de l’ordre de 10⁻³ en 1 ms, la mesure sera basée sur le taux de comptage des particules issues de la diffusion Bhabha radiative à angle nul, processus bien connu et dont la section efficace est importante. Ces particules seront détectées au moyen d’un capteur en diamant, matériau résistant aux radiations et permettant une acquisition très rapide du signal, situé à l’extérieur de la chambre à vide et en aval du point d’interaction. La première partie de cette thèse est consacrée à la recherche des localisations optimales pour le positionnement des capteurs diamants dans chacun des deux anneaux. Au moyen de simulations détaillées, nous avons étudié la dynamique des particules Bhabha lors de leur transport dans les anneaux ainsi que leur interaction avec la matière de la chambre à vide. Ces études ont permis d’ une part d’ identifier un emplacement à 11.9m dans le LER et un autre à 30 m dans le HER, et d’autre part de redéfinir pour l’une d’ entre elle la géométrie locale du tube à vide. La seconde partie, plus expérimentale, s’articule autour de la première phase du commissioning de SuperKEKB et des mesures réalisées au moyen des capteurs diamants que nous avons installés. Dans un premier temps, une étude détaillée des processus de perte single beam (Bremsstrahlung, effet Touschek, diffusion coulombienne) a été réalisée pour le LER en fonction des paramètres du faisceau et du collisionneur (courant, pression, taille transverse des faisceaux). Dans un deuxième temps les résultats de cette étude ont été comparés aux données que nous avons prises de février à juin 2016. Nous avons pu mettre en évidence un bon accord qualitatif et quantitatif entre nos simulations et nos mesures. Cela nous a permis d’estimer que le niveau de bruit de fond attendu dans le cadre des mesures pour le monitorage de la luminosité sera de plus de deux ordres de grandeurs inférieurs au taux du processus Bhabha radiatif à angle nul. / SuperKEKB is a very high luminosity collider dedicated to the Belle II experiment, it consists of a Low Energy Ring (LER) of 4 GeV positrons and a High Energy Ring (HER) of 7 GeV electrons. The commissioning of this machine is split into three phases: phase 1 (single-beam phase) is dedicated to vacuum scrubbing, where beams circulate without focusing at the collision point. Phase 2, for which the major part of the Belle II detector will be installed, will enable the tuning of the final focus system to achieve a luminosity of 10³⁴ cm⁻² s⁻¹. During phase 3, Belle II physics runs will start with an aimed luminosity up to 8×10³⁵ cm⁻² s⁻¹. In this context, the aim of my thesis is to develop and install a fast luminosity monitoring system, which is required for online correction of beam instabilities and maintenance of optimal luminosity. To reach the aimed relative precision of 10⁻³ in 1 ms, the measurement will be based on the radiative Bhabha process at zero photon scattering angle, whose cross-section is large and well-known. These particles will be detected using diamond sensors, resistant to radiation and enabling very fast signal acquisition, to be placed outside of the beam-pipe and downstream of the interaction point. The first part of this work is dedicated to the investigation of the best locations for the diamond sensor positioning in both rings. Using detailed simulations, we studied the dynamics of Bhabha particles during their tracking in the rings and their interaction with the beam pipe material. This led to the identification of two positions, at 11.9 m in LER and at 30 m in HER, and to considering a new geometry for the vacuum pipe in the LER. The second part is related to the phase 1 of the SuperKEKB commissioning and concerns the measurements performed with the diamond sensors that were installed. Single beam loss processes (Bremsstrahlung, Touschek, beam-gas Coulomb scattering) were studied in detail with respect to the LER beam and ring parameters (current, pressure, transverse beam sizes). The results of this study were then compared to the data collected from February to June 2016. We found good qualitative and quantitative agreement between our simulations and measurements. From this we could estimate that the level of background to be expected during luminosity monitoring will be two orders of magnitude smaller than the rate of the radiative Bhabha scattering signal.

Prévue pour 2024, une série d’améliorations doit être apportée au grand collisionneur d’hadrons du CERN (LHC) de manière à élargir son potentiel de découverte de nouvelle physique. Cette thèse se situe dans la perspective des études d’amélioration du détecteur ATLAS dans ce nouvel environnement, et concerne une nouvelle technologie monolithique HV/HR CMOS qui pourrait être utilisée pour les détecteurs de traces centraux pixélisés. Cette technologie a le potentiel de permettre la réduction de l’épaisseur des détecteurs, d'augmenter la granularité ainsi que de réduire les couts de production.Au sein de la collaboration HV/HR CMOS d’ATLAS, divers prototypes ont été développés en utilisant les technologies de différents partenaires industriels : GlobalFoundries (GF) BCDlite 130 nm et LFoundry (LF) 150 nm entre autres. Pour comprendre le comportement électrique et la capacité de détection de telles technologies, des simulations TCAD -Technology Computer Aided Design- en 2D et 3D ont été réalisées pour extraire le profil de la zone déplétée, la tension de claquage, la capacitance ainsi que la collection de charges ionisées des prototypes. Le développement de systèmes de test complexes et la caractérisation des prototypes HV/HR CMOS ont aussi été une partie du travail fourni pour cette thèse. Les programmes d’acquisition, en particulier pour ce qui concerne les tests sous protons ou auprès d’irradiateurs à rayons X, ainsi que les programmes de réglages de seuil ont été implémenté dans divers systèmes de test. Plusieurs versions des prototypes développés dans 3 technologies HV/HR CMOS différentes (AMS 0.18 μm HV, GF BCDlite 130nm et LF 150nm) ont été caractérisées. / A major upgrade to the Large Hadron Collider (LHC), scheduled for 2024 will be brought to the machine so as to extend its discovery potential. This PhD is part of the ATLAS program and aims at studying a new monolithic technology in the framework of the design of an upgraded ATLAS inner tracker. This new type of sensor is based on a HV/HR CMOS technology, which would potentially offer lower material budget, reduced pixel pitch and lower cost with respect to the traditional hybrid pixel detector concept.Various prototypes have been developed using different HV/HR CMOS technologies from several industrial partners, within the ATLAS HV/HR collaboration, for instance Global Foundry (GF) BCDlite 130 nm and LFoundry (LF) 150 nm. In order to understand the electric behavior and the detection capabilities of these technologies, 3D and 2D Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations have been performed to extract the depletion zone profile, the breakdown voltage, the leakage current, the capacitance as well as the charge collection of the prototypes. Test setup developments and characterizations of the HV/HR CMOS prototypes were also part of this thesis. The data acquisition programs, in particular dedicated to the proton test beams, X-ray sources and threshold tuning, have been implemented into various test setups. Several HV/HR CMOS prototypes developed in three HV/HR technologies, AMS 0.18 µm HV, GF BCDlite 130 nm and LF 150 nm, have been characterized.