Many models of physics beyond the Standard Model include an extended Higgs sector, responsible for electroweak symmetry breaking, and predict the existence of additional Higgs bosons. The Type II Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) is a particularly well motivated scenario and a suitable framework for phenomenological studies of extended Higgs sectors. Its low energy spectrum includes two CP-even Higgses h and H, one CP-odd Higgs A, and a pair of charged Higgses H±. We study the implication of the LHC Higgs search results on the Type II 2HDM and identify regions of parameter space which are consistent with all experimental and theoretical constraints and can accommodate the observed 125 GeV Higgs signal. This includes parameter space with a distinctive mass hierarchy which permit a sizable mass splitting between the undiscovered non-Standard Model Higgs states. If this mass splitting is large enough, exotic Higgs decay channels into either a Higgs plus a Standard Model gauge boson or two lighter Higgses open up. This can significantly weaken the reach of the conventional Higgs decay channels into Standard Model particles but also provide the additional opportunity to search for exotic Higgs decay channels. We provide benchmark planes to explore exotic Higgs decay scenarios and perform detailed collider analyses to study the exotic decay channels H/A -> AZ/HZ and H± -> AW/HW. We find that these exotic decays offer complementary discovery channels to the conventional modes for both neutral and charged Higgs searches and permit exclusion and discovery in large regions of parameter space.

Dans ce document deux analyses des propriétés du boson de Higgs se désintégrant en 2 photons dans l'expérience CMS située auprès du LHC (Large Hadron Collider) sont présentées.Le document commence par une introduction théorique sur le Modèle Standard et sur la physique du boson de Higgs, suivie par une description détaillée de l'expérience CMS. En deuxième lieu, les algorithmes de réconstruction et identification des photons sont présentés, avec une attention particulière aux différences entre le premier et le deuxième run du LHC, le premier run (Run1) ayant été pris entre 2010 et 2012 avec une énergie dans le centre de masse de 7 puis 8 TeV, le deuxième (Run2) ayant commencé en 2015 avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Les performances des reconstructions du Run 1 et du Run 2 en ce qui concerne l'identification des photons sont comparées. Ensuite l'algorithme d’identification des photons pour l'analyse H->γγ et optimisé pour le Run2 est présenté. Pour ce faire une méthode d'analyse multivariée est utilisée. Les performances de l'identification des photons à 13 TeV sont enfin étudiées et une validation donnée-simulation est effectuée.Ensuite l'analyse H->γγ avec les premières données du Run2 est présentée. Les données utilisées correspondent à une luminosité intégrée de 12.9 fb⁻¹. Une catégorisation des événements est faite, afin de rendre maximale la signification statistique du signal et d’étudier les différents modes de production du boson de Higgs. La signification statistique observée pour le boson de Higgs du Modèle Standard est 1.7 sigma, pour une signification attendue de 2.7 sigma.Enfin une étude de faisabilité ayant pour but de contraindre les couplages anomaux du boson de Higgs aux bosons de jauges est présentée. Pour cette analyse les données à 8 TeV collectées pendant le Run 1 du LHC, correspondant a' une luminosité intégrée de 19.5/fb sont utilisées. Cette analyse exploite la production du boson de Higgs par fusion de bosons-vecteurs (VBF), avec le Higgs se désintégrant ensuite en 2 photons. Les distributions cinématiques des jets et des photons, qui dépendent de l'hypothèse de spin-parité, sont utilisées pour construire des discriminants capables de séparer les différentes hypothèses de spin-parité. Ces discriminants permettent de définir différentes régions de l'espace des phases enrichies en signal de différentes spin-parité. Les différents nombres d’événements de signal sont extraits dans chaque région par un ajustement de la masse invariante diphoton, permettant de déterminer les contributions respectives des différents signaux et permettant ainsi de contraindre la production de boson de Higgs pseudo-scalaire (spin-parité 0-). / In this document two analyses of the properties of the Higgs boson in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the LHC (Large Hadron Collider) are presented.The document starts with a theoretical introduction of the Standard Model and the Higgs boson physics, followed by a detailed description of the CMS detector.Then, photon reconstruction and identification algorithms are presented, with a particular focus on the differences between the first and the second run of the LHC, the first run (Run1) took place from 2010 to 2012 with a centre-of-mass energy of 7 and then 8 TeV, while the second run (Run2) started in 2015 with a centre-of-mass energy of 13 TeV. Performances of Run1 and Run2 reconstructions from the photon identification point of view are compared. Then the photon identification algorithm for the H->γγ analysis optimised for Run2 is presented. To do that a multivariate analysis method is used. Performances of the photon identification at 13 TeV are finally studied and a data-simulation validation is performed.Afterwards, the H->γγ analysis using the first Run2 data is presented. The analysis is performed with a dataset corresponding to an integrated luminosity of 2.7/fb. An event classification is performed to maximize signal significance and to studyspecific Higgs boson production modes. The observed significance for the standard model Higgs boson is 1.7 sigma, while a significance of 2.7 sigma is expected.Finally a feasibility study, having the aim of constraining the anomalous couplings of the Higgs boson to the vector bosons, is presented. This analysis is performed using the data collected at 8 TeV during Run1 at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 19.5/fb. This analysis exploits the production of the Higgs boson through vector boson fusion (VBF), with the Higgs decaying to 2 photons. The kinematic distributions of the dijet and diphoton systems, which depend from the spin-parity hypothesis, are used to build some discriminants able to discriminate between different spin-parity hypotheses. These discriminants allow to define different regions of the phase-space enriched with a certain spin-parity process. The Higgs boson signal yield is extracted in each region from a fit to the diphoton mass, allowing to determine the contributions of the different processes and then constrain the production of a pseudo-scalar (spin-parity 0-) Higgs boson.

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19499号 / 理博第4159号 / 新制||理||1597(附属図書館) / 32535 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川合 光, 教授 畑 浩之, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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Les études de physique conduites à l'echelle du TEV, comme la recherche du boson de Higgs et de nouvelles particules, par exemple dans le cadre du modèle de super-symétrie, ou encore les études du quark top, succitent un interêt croissant maintenant que cette échelle est accessible. Dans ces analyses, il est souvent nécessaire d'identifier les jets issues de quark b de ceux provenant de quarks légers, de gluons ou d'autres types de bruit de fond. Par exemple, dans le cadre de la recherche du boson de Higgs leger, le Higgs est attendu de se désintégrer principalement en bb^_ les études de canaux impliquant la e e b; e production de quark top ont souvent des jets de quarks b dans leurs état finaux et du fait de la désintégration dominante du quark top en bW ; dans beaucoup d'analyse, les processus impliquant un quark top sont un bruit de fond et l'identification des jets de b fournie un excellent moyen, appelé b-jet veto, de les rejeter. Cette identification des jets de b est appellé b-tagging. Les études effectuées dans l'expérience ATLAS sur les performances du b-tagging, sa mise en route et son optimisation, sont présentées et developées dans cette thèse. / Physics studies at the TeV scale, such as searches for Higgs and new particles, for example from super-symmetry, as well as top quark studies are drawing special interest in experimental particle physics now that this scale is reachable. In these analyses, it is often necessary to identify jets from b quark out of jets from light quarks or gluons and other backgrounds. For exam- ple, in the low mass Higgs boson search, the Higgs is expected to dominantly decays into bb^_, studies involving top quark production have always b-jets in b; their final states due to dominant top decay into bW; for many analysis, top processes are a background and the b jets identification provides an excellent method to reject them using a so-called b jet veto. This b jets identification is called b-tagging. The studies done, within the ATLAS experiment, on the b-tagging performances, its commissioning and optimization, are presented and developed in this thesis.

Sonder la production du quark top et du boson de Higgs dans les évènements multi-jet avec expérience Atlas auprès du LHC.Le détecteur Atlas est une expérience généraliste placé auprès du collisionneur proton-proton circulaire de 27 km de circonférence, LHC. Le LHC est conçu pour produire des collisions avec une énergie nominale au centre de masse de l'ordre de racine carré8 = 14 Tev et une luminosité instantané de 10-34cm-2s-1. / Probing top quark and Higgs boson production in multi-jet avents at the LHC with the Atlas detector.The Atlas detector is a general purpose detector located at the Large Hadron Collider (LHC). It aims at the discovery af new physics phenomena and improving our knowledge of the standart Model (SM).

Les travaux de thèse effectués au sein de la collaboration ATLAS et présentés dans ce manuscrit se sont déroulés dans le contexte de la découverte d'une nouvelle particule dans la recherche du boson de Higgs du Modèle Standard au LHC. Après une introduction du cadre théorique, le LHC et le détecteur ATLAS sont présentés ainsi que leurs performances durant cette première phase de prise de données comprenant les données acquises en 2011 et 2012. Une attention particulière est portée aux calorimètres à argon liquide et au traitement de la qualité des données enregistrées par ce système. Des études de validation des données collectées durant des conditions non nominales de la haute tension des calorimètres à argon liquide ont abouti à la récupération de 2% des données collectées, les rendant ainsi disponibles pour l'analyse de physique. Ceci a un impact direct sur le canal H -> ZZ* -> 4 l où le nombre d'événements attendus est faible. Dans le but d'optimiser l'acceptance du canal de désintégration en quatre électrons, des nouveaux algorithmes de reconstruction des électrons ont été introduits en 2012, et la mesure de son efficacité est présentée. Le gain d'efficacité allant jusqu'à 7% pour les électrons de basse énergie transverse (15<E_T<20 GeV) constitue une des améliorations de l'analyse dans le canal H -> ZZ* -> 4 l qui est présentée pour les données 2012. Les méthodes d'estimation du bruit de fond réductible des canaux contenant des électrons dans l'état final ont été au centre de l'attention durant la période qui a suivi la découverte et sont particulièrement décrites. Les mesures de propriétés du boson découvert, basées sur les données de 2011 et 2012 sont présentées. / The work presented in this thesis within the ATLAS collaboration was performed in the context of the discovery of a new particle at the LHC in the search for the Standard Model Higgs boson. My contribution to the Higgs boson search is focused in the H -> ZZ* -> 4 l channel at different level, from the data taking to the physics analysis. After a theoretical introduction, the LHC and the ATLAS detector are presented as well as their performance during the 2011 and 2012 runs. A particular consideration is given to the liquid argon calorimeters and to the data quality assesment of this system. The validation of the data recorded during non-nominal high voltage conditions is presented. This study allowed to recover 2% of the data collected available for physics analyses. This has a direct impact on the H -> ZZ* -> 4 l channel were the number of signal events expected is very low. In order to optimize the acceptance of the four electrons decay channel, novel electron reconstruction algorithms were introducted in 2012. The measurement of their efficiency is presented. The efficiency gain reaching 7% for low transverse energy electrons (15<E_T<20 GeV) is one of the main improvements in the H -> ZZ* -> 4 l analysis presented using the data recorded in 2012. The reducible background estimation methods in the channels containing electrons in the final state that were of primary importance after the discovery are detailed. Finally, the measurement of the new boson properties are presented based on the 2011 and the 2012 recorded data.

Depuis le démarrage des collisions proton-proton au LHC en 2009, les expériences ATLAS et CMS ont collecté plus de 25/fb de données. Le boson de Higgs est une prédiction clé du Modèle Standard de la physique des particules et sa découverte en 2012 par les expériences ATLAS et CMS complète le Modèle Standard. Le Modèle Standard, bien qu'en excellent accord avec les observations faites auprès des collisioneurs, ne répond pas à de nombreuses questions~: la nature de la matière noire, de l'énergie noire... De plus, l'instabilité de la masse du Higgs sous l'effet des corrections radiatives semble indiquer la présence d'une nouvelle physique à haute énergie. Parmi les théories au-delà du Modèle Standard, les modèles supersymétriques restent encore aujourd'hui d'excellents candidats pour étendre le Modèle Standard. Durant cette thèse, qui s'est déroulée de 2011 à 2014, j'ai travaillé à la recherche de signaux supersymétriques au sein de l'expérience ATLAS. Tout d'abord au L2C à Montpellier, où nous avons co-développé une nouvelle version de SuSpect, un programme permettant de calculer le spectre de masse du MSSM. Au sein du groupe ATLAS du CPPM à Marseille, j'ai développé pour la collaboration ATLAS des outils d'identification des jets issus de l'hadronisation des quarks b basés sur des réseaux de neurones artificiels et des arbres de décisions. Ces outils ont permis d'améliorer la discrimination des différentes saveurs de jet pour les analyses de données d'ATLAS.J'ai ensuite utilisé les données enregistrées par ATLAS en 2012 pour poser des limites sur la production associée de charginos et neutralinos se désintégrant via un boson de Higgs et un boson W pour donner un lepton chargé, deux jets issus de quarks b et de l'énergie transverse manquante. / Since the start of proton-proton collisions at LHC in 2009, the ATLAS and CMS experiments have recorded more than 25/fb of data each. The Higgs boson is akey prediction of the Standard Model of particle physics and its discovery in 2012 by the ATLAS and CMS experiments complete the Standard Model.The Standard Model, despite its excellent agreement with experiments at colliders, doesn't answer to many questions~: the nature of dark matter, dark energy... Furthermore, the instability of the Higgs mass under the effect of radiative corrections seems to indicate the existence of new physics at high energy.Among the theories beyond the Standard Model, supersymmetric models are excellent candidates to extend the Standard Model. During this thesis, between 2011 and 2014, I worked on the search of supersymmetric signals with the ATLAS experiment.First at L2C in Montpellier, where we have co-develloped a new version of SuSpect, a program designed to compute the MSSM mass spectrum.In the ATLAS groupe at CPPM in Marseille, I developped for the ATLAS collaboration a serie of tools based on artificial neural networks and decision trees to identify jets coming from b-quark hadronization. This tools have improved the discimination between different jets flavors for data analysis in ATLAS.Then, I analyzed the data collected by ATLAS in 2012 to obtain limits on the associated production charginos and neutralinos decaying via a W and a Higgs boson, resulting in a final state containing a charged lepton, two b-jets and missing transverse momentum

Ce travail présente les mesures de section efficace de production de photons isoles dans les collisions proton-proton avec l’expérience ATLAS au LHC, a une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les résultats sont d’abord obtenus pour une luminosité intégrée de 880 nb−1, puis dans un deuxième temps pour une luminosité de 36 pb−1. Les mesures faites avec 880 nb−1 et 36 pb−1 couvrent, respectivement, les intervalles en énergie transverse 15 ≤ E < 100 GeV et 45 ≤ E < 400 GeV. Les résultats sont compares aux prédictions de la chromodynamique quantique perturbative à l’ordre NLO. Les premières études pour la recherche du Higgs dans le canal de désintégration en deux photons sont également présentées pour 38 pb−1 de données collectées par l’expérience ATLAS en 2010 (et plus récemment pour 210 pb−1 accumules en 2011). Les limites d’exclusion observées sont citées en fonction d’une masse de Higgs se situant dans l’intervalle 110-140 GeV. / This work presents the measurements with the ATLAS experiment of the cross section for inclusive production of isolated prompt photons in proton-proton collisions at a centre-ofmass energy √s = 7 TeV. The first results are based on an integrated luminosity of 880 nb−1 and the later results are based on 36 pb−1, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements performed with 880 nb−1 and 36 pb−1 cover the transverse energy range 15 ≤ E < 100 GeV and 45 ≤ E < 400 GeV, respectively.The results are compared to predictions from next-to-leading order perturbative QCD calculations. In addition, are also presented the first studies for the search for the Higgs boson in the decay channel into two photons with 38 pb−1 data collected by the ATLAS experiment in 2010 (and more recently with 210 pb−1 collected in 2011). Observed exclusion limits are quoted as a function of the Higgs mass in the range 110-140 GeV.