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.

Des progr ès exp erimentaux importants sont en cours dans l' étude des d ésint égrations rares de m ésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail pr ésent mesure la port ée indirecte de ces progr ès sur des extensions supersym etriques du mod èle standard. Même dans des mod èles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersym étriques. La pr écision gagn ée par les facteurs de forme et les corrections d'ordre sup érieur nouvellement impl ément és dans le programme public "SuperIso" montrent alors leur importance.

Double Chooz (DC) est une expérience d'oscillation de neutrinos auprès de réacteurs, dont la finalité est la mesure du dernier angle de mélange encore inconnu θ13 . Elle hérite de l'expérience passée CHOOZ qui était limitée par des erreurs statistiques et systématiques à un niveau similaire d'environ 2.8%. Afin de diminuer l'erreur statistique, la masse de la cible du détecteur DC a été augmentée tandis que la réduction de l'erreur systématique est assurée par l'utilisation de deux détecteurs identiques. Un détecteur sera situé dans le voisinage des coeurs des réacteurs dans le but de contrôler le flux et le spectre des anti-νe émis alors que l'autre sera placé à l'endroit où l'effet d'oscillation maximal est attendu. Le premier est communément dénommé 'détecteur proche' par opposition au second dénommé 'd ́etecteur lointain'. Les erreurs attendues sont 0.5% (stat.) et 0.6% (syst.) pour une ultime mesure sin2 2θ13 = 0.05 (θ13 = 6.5◦ ) à trois écart-type après trois années de prise de données. Le démarrage du détecteur lointain est attendu pour novembre 2010 tandis que le détecteur proche sera opérationnel pour la mi-2012. Cette thèse présente tout d'abord une contribution matérielle à l'expérience avec le test des Flash-ADCs qui constituent le coeur du système d'acquisition. Ensuite, elle présente des analyses effectuées sur des simulations Monte Carlo afin d'optimiser la conception du détecteur. Ce travail était composé d'analyses dans le but de choisir des composantes du détecteur avec la contamination radioactives qui convient, des analyses dans le but d'obtenir la meilleure résolution en énergie possible et une manière de déclencher la sauvegarde des données par le système d'acquisition la plus stable et la plus robuste possible. Les travaux sur l'optimisation du détecteur et les connaissances acquises sur les Flash-ADCs nous ont amené à envisager une nouvelle reconstruction spatiale basée sur le temps de vol des photons. Toutes ces contributions à l'expérience sont présentées en détails à travers ce manuscrit.

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.

L'utilisation des accélérateurs linéaires de forte puissance dans différents projets (production de neutrons par spallation, réacteurs hybrides) nous a amené à se pencher sur les problèmes de la dynamique de faisceaux de haute intensité. Dans le cas de faisceaux intenses, les particules sont soumises à des forces non linéaires, principalement dues à l'effet de charge d'espace. Afin de disposer d'outils à la fois moins lourds et plus réalistes que les méthodes classiques de simulation (interaction particule-particule, modèle coeur-particule), la description de l'évolution d'une distribution de particules à partir de ses paramètres statistiques, ses moments, a donc été envisagée. Nous présentons donc dans une première partie une analyse détaillée de la problématique, menée dans un cadre simplifié mais non limitatif : tout d'abord, nous développons un formalisme original basé sur les propriétés fines des polygones orthogonaux permettant l'étude des moments d'une densité en une dimension. De cette analyse, nous voyons que l'on peut extraire, d'un nombre fini de moments, un certain nombre d'informations concernant la densité. En particulier, il en découle la notion fondamentale d'enveloppe convexe définissant le domaine d'existence de cette densité. Ceci permet de mieux comprendre la signification des moments. La généralisation de cette description en deux dimensions permet d'estimer avec une bonne précision où sont localisées les particules dans cet espace des phases. Enfin, nous abordons les difficultés rencontrées au cours de cette étude, fixant ainsi les limites de cette méthode. La deuxième partie de cette thèse, plus expérimentale, présente les mesures de faisceaulogie effectuées sur l'accélérateur GENEPI (GEnérateur de NEutrons Pulsé Intense) dans le cadre de l'étude des systèmes hybrides. Elles permettent, entre autres, la calibration du faisceau et la validation des codes de calculs nécessaires à la conception de la machine.

Le Modèle Standard de la physique des particules explique avec succès les données expérimentales. L'origine de la masse des bosons W et Z est expliquée à l'aide du mécanisme de Higgs qui permet de briser la symétrie de jauge de l'interaction électro-faible. Cependant ce mécanisme prédit l'existence d'une particule, appelée le boson de Higgs, qui n'a pas été observée pour l'instant. Cette particule est recherchée au LHC en particulier dans les expériences ATLAS et CMS. Les premiers résultats utilisant les données du LHC permettent d'exclure, avec un niveau de confiance de 95%, un boson de Higgs qui aurait la section efficace du Modèle Standard entre 128 et 600 GeV/c$^2$ et les résultats plus anciens du LEP ont exclu un boson de Higgs plus léger que 114.4 GeV/c$^2$. Dans l'intervalle de masse restant, le canal de désintégration du Higgs en deux photons est le canal idéal pour la recherche du boson de Higgs car, malgré son faible rapport d'embranchement (environ quelques pour mille) et grâce à son état final clair, il permet d'obtenir une résonance de faible largeur dans le spectre de masse invariante des événements di-photons. La manière dont un photon est reconstruit dans CMS sera d'abord décrite et la compréhension de cette reconstruction avec les premières données du LHC présentée. Du fait de la faible largeur de la résonance du boson de Higgs à basse masse, un grand intérêt doit être porté à la résolution sur l'énergie des photons. C'est pourquoi, nous étudierons les corrections apportées à cette énergie. Ensuite, comme les pions neutres qui se désintègrent en deux photons sont le principal bruit de fond aux photons dans les données, nous verrons comment utiliser la forme du dépôt d'énergie dans le calorimètre électromagnétique de CMS à l'aide d'un réseau de neurones artificiels pour discriminer ces pions neutres des vrais photons. La chromodynamique quantique est la source d'un large nombre d'événements di-photons qui forment la majorité du bruit de fond à la désintégration du boson de Higgs. La mesure de la section efficace de ces processus et de leur cinématique aide aussi à la compréhension du Modèle Standard. La possibilité d'utiliser le pouvoir discriminant du réseau de neurones pour mesurer le nombre d'événements diphotons dans les données, a été étudiée. Les mésons neutres sont aussi un bruit de fond pour les photons issus de la désintégration du boson de Higgs. L'amélioration de l'identification à l'aide d'une coupure sur la variable de sortie du réseau de neurones a donc été évaluée : la conséquence de cette amélioration en termes de limite sera présentée sur le premier 1.6fb$^1$ des données de 2011 enregistrées par l'expérience CMS.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude des processus d’émission de deux types de noyaux actifs de galaxie détectés aux rayons gamma : des blazars vues au TeV et des Narrow Line Seyfert 1s (NLS1s) détectés au GeV. La distribution spectrale d’énergie des blazars peut être décrite en général par des modèles 'one-zone synchrotron self-Compton'. Ce modèle a été appliqué au blazar 1ES2322-409 qui fut premièrement détecté au TeV par l’expérience HESS. Des composantes externes comme le tore, le disque d’accrétion, la couronne X ou la 'Broad Line Region' sont nécessaires pour expliquer la radiation observée dans des NLS1 qui émettent des rayons gamma. Un modèle numérique qui considère ces champs des photons externes a été développé. Ce modèle explique l’émission observée et la transition entre des états bas et des états d’émission augmentée pour trois NLS1s vues au régime gamma : 1H0323+342, B20954+25A et PMN J0948+0022. / This thesis manuscript presents the study of the emission processes of two types of gamma-emitting active galactic nuclei: TeV-detected blazars and GeV-detected Narrow Line Seyfert 1s (NLS1s).The Spectral Energy Distribution (SED) of TeV blazars can in general be well described by simple one-zone synchrotron self-Compton models. Such model has been applied to the blazar 1ES2322-409 that was first detected at TeV by the HESS collaboration.Additional external photon fields such as the obscuring torus, the accretion disc, the X-ray corona or the broad line region are necessary to describe the observed radiation and broad-band SED of gamma-emitting NLS1s. A numerical model that takes into account emission from these external fields has been developed. The model explains the observed emission and the transition from quiescent to gamma-ray flaring states of three gamma-emitting NLS1s: 1H0323+342, B20954+25A and PMN J0948+0022.

Les particules élémentaires ainsi que leur interactions sont décrites par le Modèle Standard. Malgré son grand succès, il y a encore des questions à répondre. Dans cette thése, le processus du Modèle Standard ZZ, lorsque les deux bosons Z se désintègrent en paires de leptons, a été étudié. Les données utilisées ont été prises par le détecteur ATLAS durant l'année 2012, ce qui correspond à une luminosité intégrée de 20 fb-1. L'énergie dans le centre de masse était de 8 TeV. Tous les éléments de l'analyse sont présentés dans ce document: la sélection du signal et son efficacité, l'estimation du bruit de fond, les systématiques associées à la mesure, ainsi que la méthode statistique employée pour l'extraction de la section efficace. La section efficace du processus ZZ sur couche de masse a été mesurée à 6.98±0.41(stat.)±0.36(syst.)±0.20(lumi) pb. La section efficace pour chaque canal a été aussi mesurée dans une volume cinématique ``restreint'', proche du volume reconstruit. Toutes les mesures obtenues sont en accord avec les prédictions theoriques. L'auto-interaction des bosons neutres est interdite dans le Modèle Standard. Si des couplages à trois bosons sont observés, ceux-ci indiqueront donc la présence d'une nouvelle physique. Des observables sensibles à la présence des couplages anormaux ont été examinées. L'impulsion transverse du boson le plus énergétique s'est avérée une des plus sensibles, et elle a été donc utilisée pour l'extraction des limites à 95% CL sur les couplages anormaux. Toutes les limites obtenues sont compatibles avec le Modèle Standard. La connaissance du champ magnétique toroïdal dans le détecteur ATLAS est essentielle pour l'estimation précise de la masse des particules. Une étude sur les senseurs utilisés pour la construction de la carte de champ du détecteur ATLAS a montré que 97% des senseurs sont fiables. La carte de champ existante a été examinée, et malgré l'observation d'anomalies, celles-ci ne sont pas susceptibles d'affecter la détermination de l'impulsion des muons, ni donc de l'estimation de la masse du boson de Higgs. / Elementary particles and their interactions are described by the Standard Model. Even successful, there are still some unanswered questions which need to be addressed. In this work, the ZZ Standard Model process was studied in the leptonic decay channel. The data used were collected by the ATLAS detector during 2012 and correspond to an integrated luminosity of 20 fb-1. The center of mass energy was 8 TeV. All the analysis elements, such as the signal selection and efficiencies, the background estimation, the measurement uncertainties and the statistical method employed for the cross section extraction, are discussed in this document. The total ZZ on-shell cross section is measured to be 6.98±0.41(stat.)±0.36(syst.)±0.20(lumi) pb. A measurement of the on-shell ``fiducial'' cross section, defined in a volume close to the reconstructed one, was also performed for each decay channel. Both total and fiducial measurements are in agreement, within uncertainties, with the SM predictions. The neutral boson-self interactions are forbidden in the SM. Therefore, if triple gauge boson couplings are observed, they will indirectly point to the existence of new physics. Observables sensitive to the presence of anomalous triple gauge couplings, along with the optimal binning were investigated. The traverse momentum of the most energetic boson was among the most sensitive observables, and it was thus used in order to extract 95% CL limits on the anomalous coupling parameters. All observed limits are found to be compatible with the SM expectations. In the framework of this thesis a performance study was conducted. In order to increase particles mass measurement precision, the accurate knowledge of the toroidal magnetic field inside the detector is essential. The sensors used for the production of the ATLAS toroidal magnetic field map were studied, and it was found that more than 97% of these sensors are reliable. The existing magnetic field map was probed, and even though inaccuracies were observed, they are not expected to impact muon momentum estimation and thus not to bias the Higgs boson mass measurement.

Les plasmas peu denses, très énergétiques et magnétisés sont des milieux courants en astrophysique. Cette thèse est dédiée à l'étude de deux milieux spécifiques caractérisés par une géométrie de disque : le centre Galactique et la couronne des microquasars. Dans chacun des deux cas, les observations suggèrent l'existence d'un plasma extrêmement chaud (100 millions et 1 milliard de degrés) et ténu dont l'origine reste un mystère ; certains indices semblent également y montrer un champ magnétique assez fort, de structure dipolaire et principalement verticale baignant ce plasma. <br /><br />Au centre Galactique, la température du gaz considéré est telle que, s'il était collisionnel et composé principalement d'hydrogène, il devrait s'échapper, impliquant des besoins énergétiques excessifs pour les mécanismes de chauffage. Nous montrons cependant que les conditions peuvent naturellement mener à un plasma d'hélium, confiné par le potentiel Galactique. Dans cette situation plus raisonnable, nous étudions un processus possible de chauffage reposant sur la forte viscosité du gaz et la friction sur des nuages moléculaires froids en mouvement.<br /><br />La problématique des microquasars est très similaire, à la différence notable près que la couronne est probablement peu collisionnelle. Nous étudions dans ce régime un mécanisme de chauffage par pompage magnétique dans lequel la résonance entre le mouvement oscillant de certains ions de la couronne et une excitation périodique des lignes de champ magnétique par une instabilité du disque peut fournir de l'énergie à la couronne. Nous montrons en particulier que ce mécanisme est insuffisant à expliquer la température observée.

Nous présentons dans cette thèse deux applications de la correspondance AdS/CFT. La première est l'analyse des propriétés de transport des modes fermioniques dans les théories des champs fortement couplées. Nous étudions en particulier les propriétés de la constante de diffusion du phonino dans N=4 SYM à densité nulle ou finie. Nous trouvons que la constante de diffusion dépend du potentiel chimique et par conséquent qu'elle n'a pas une propriété d'universalité similaire à celle de la viscosité de cisaillement. La deuxième application traite du comportement de l'entropie d'intrication dans des théories qui contiennent des degrés de liberté massifs. Pour identifier les contributions de la masse à l'entropie d'intrication nous l'évaluons dans un système comprenant des branes de saveur et nous identifions certains des termes dépendants de la masse. Nous trouvons que le coefficient du terme logarithmique est différent de celui calculé dans la théorie des champs libre, un résultat qui est qualitativement en accord avec de résultats holographique antérieurs. De plus nous calculons d'autres termes, prédits dans la théorie des champs, mais qui n'ont pas été identifiés auparavant dans un système holographique.