Après la découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au LHC, annoncée le 4 juillet 2012 au CERN, l'heure est maintenant à la mesure des propriétés de cette nouvelle particule pour vérifier sa compatibilité avec le boson scalaire prédit par le Modèle Standard. Son couplage aux autres particules est une mesure importante car toute déviation par rapport à la valeur prédite par la théorie peut être le signe d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle Standard. Cette thèse présente la mesure des couplages du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux photons, utilisant l'ensemble des données collectées en 2011 (4.5 fb^{-1} à 7 TeV) et 2012 (20.3 fb^{-1} à 8 TeV) par le détecteur ATLAS. Les événements sont classifiés en fonction des objets produits en association avec le Higgs : deux jets pour la production VBF, lepton et énergie transverse manquante pour le higgsstrahlung (WH et ZH) et jets de b pour le ttH, les événements restants étant produits majoritairement par le processus de production dominant ggH. L'impact de la modélisation du moment transverse du Higgs, dans son mode de production par fusion de gluons, est aussi estimé. Les derniers développements théoriques dans ce domaine permettent d'atteindre une précision à l'ordre NNLO+NNLL (QCD), avec la prise en compte de l'effet des masses finies des quarks top et bottom dans la boucle jusqu'à l'ordre NLO+NLL, implémentée dans le programme HRes. Une méthode de pondération est dérivée pour prendre en compte ces dernières avancées, en prenant en compte la corrélation avec le nombre de jets. Les résultats finaux sont en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard, en prenant en compte les barres d'erreur. A la masse mesurée par la combinaison des canaux diphoton et quatre leptons dans ATLAS, mH = 125.4 +/- 0.4 GeV, la section efficace totale ramenée à celle attendue par le Modèle Standard est : mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(théorie) et le rapport du nombre d'événements mesurés pour chaque mode de production à celui prédit par le Modèle Standard est : mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(théorie) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(théorie) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(théorie) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(théorie) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(théorie) / After the Higgs boson discovery in the first LHC data, the focus is now on its properties measurement. Among these properties, its couplings are of particular importance since any deviation from the expected value can be an indication of new physics, beyond the Standard Model. This thesis is oriented towards the Higgs couplings measurements with the ATLAS experiment, using the diphoton decay channel. Selected diphoton events are classified into different categories to disentangle the five Higgs production modes by tagging the objects produced in association with the Higgs boson: two jets for the VBF production mode, lepton and missing transverse energy for the higgsstrahlung (WH and ZH), b-jets for ttH, the remaining events being mostly produced via the dominant production mode ggH. The impact of the Higgs pT modelling in the ggH production mode is also investigated. Theoretical developments provide predictions of the pT shape at NNLO+NNLL accuracy, including top and bottom mass effects in the loop up to NLO+NLL, implemented in the HRes program. A reweighting technique to take into account these latest theoretical improvements is derived, taking into consideration the correlation with the number of jets. Its impact on the final measurement is estimated to be of the order of a few percent. The final couplings results, measured at the Higgs mass obtained by the combination of the H->gamma gamma and H->ZZ*->4l channels in ATLAS (mH = 125.4 +/- 0.4 GeV) do not show any statistically significant deviation from the Standard Model. The observed signal strength mu = sigma^{obs} / sigma^{exp} is found to be: mu = 1.17^{+0.28}_{-0.25} = 1.17 +/- 0.23(stat) ^{+0.10}_{-0.08}(syst) ^{+0.12}_{-0.08}(theory). The ratio of the observed number of events in each production mode to the expected ones are measured at: mu_ggH = 1.32 +/- 0.32(stat.) ^{+0.13}_{-0.09}(syst.) ^{+0.19}_{-0.11}(theory) ; mu_VBF = 0.8 +/- 0.7(stat.) ^{+0.2}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.3}(theory) ; mu_WH = 1.0 +/- 1.5(stat.) ^{+0.3}_{-0.1}(syst.) ^{+0.2}_{-0.1}(theory) ; mu_ZH = 0.1 ^{+3.6}_{-0.1}(stat.) ^{+0.7}_{-0.0}(syst.) ^{+0.1}_{-0.0}(theory) ; mu_ttH = 1.6 ^{+2.6}_{-1.8}(stat.) ^{+0.6}_{-0.4}(syst.} ^{+0.5}_{-0.2}(theory)

Cette thèse, conduite dans le contexte de la recherche du boson de Higgs, dernière pièce manquante du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et qui est une des plus importantes recherches auprès des collisionneurs hadroniques actuels, traite de la phénoménologie de ce boson à la fois dans le Modèle Standard (SM) et dans son extension supersymétrique minimale (MSSM). Après un résumé de ce qui constitue le Modèle Standard dans une première partie, nous présenterons nos prédictions pour la section efficace inclusive de production du boson de Higgs dans ses principaux canaux de production auprès des deux collisionneurs hadroniques actuels que sont le Tevatron au Fermilab et le grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, en commençant par le cas du Modèle Standard. Le principal résultat présenté est l'étude la plus exhaustive possible des différentes sources d'incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul : les incertitudes d'échelles vues comme une mesure de notre ignorance des termes d'ordre supérieur dans un calcul perturbatif à un ordre donné, les incertitudes reliées aux fonctions de distribution de partons dans le proton/l'anti--proton (PDF) ainsi que les incertitudes reliées à la valeur de la constante de couplage fort, et enfin les incertitudes provenant de l'utilisation d'une théorie effective qui simplifie le calcul des ordres supérieurs dans la section efficace de production. Dans un second temps nous étudierons les rapports de branchement de la désintégration du boson de Higgs en donnant ici aussi les incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul. Nous poursuivrons par la combinaison des sections efficaces de production avec le calcul portant sur la désintégration du boson de Higgs, pour un canal spécifique, montrant quelles en sont les conséquences intéressantes sur l'incertitude théorique totale. Ceci nous amènera à un résultat significatif de la thèse qui est la comparaison avec l'expérience et notamment les résultats des recherches du boson de Higgs au Tevatron. Nous irons ensuite au-delà du Modèle Standard dans une troisième partie où nous donnerons quelques ingrédients sur la supersymétrie et sa mise en application dans le MSSM où nous avons cinq bosons de Higgs, puis nous aborderons leur production et désintégration en se focalisant sur les deux canaux de production principaux par fusion de gluon et fusion de quarks $b$. Nous présenterons les résultats significatifs quant à la comparaison avec aussi bien le Tevatron que les résultats très récents d'ATLAS et CMS au LHC qui nous permettront d'analyser l'impact de ces incertitudes sur l'espace des paramètres du MSSM, sans oublier de mentionner quelques bruits de fond du signal des bosons de Higgs. Tout ceci va nous permettre de mettre en avant le deuxième résultat très important de la thèse, ouvrant une nouvelle voie de recherche pour le boson de Higgs standard au LHC. La dernière partie sera consacrée aux perspectives de ce travail et notamment donnera quelques résultats préliminaires dans le cadre d'une étude exclusive, d'un intérêt primordial pour les expérimentateurs. / This thesis has been conducted in the context of one of the utmost important searches at current hadron colliders, that is the search for the Higgs boson, the remnant of the electroweak symmetry breaking. We wish to study the phenomenology of the Higgs boson in both the Standard Model (SM) framework and its minimal Supersymmetric extension (MSSM). After a review of the Standard Model in a first part and of the key reasons and ingredients for the supersymmetry in general and the MSSM in particular in a third part, we will present the calculation of the inclusive production cross sections of the Higgs boson in the main channels at the two current hadron colliders that are the Fermilab Tevatron collider and the CERN Large Hadron Collider (LHC), starting by the SM case in the second part and presenting the MSSM results, where we have five Higgs bosons and focusing on the two main production channels that are the gluon gluon fusion and the bottom quarks fusion, in the fourth part. The main output of this calculation is the extensive study of the various theoretical uncertainties that affect the predictions: the scale uncertainties which probe our ignorance of the higher–order terms in a fixed order perturbative calculation, the parton distribution functions (PDF) uncertainties and its related uncertainties from the value of the strong coupling constant, and the uncertainties coming from the use of an effective field theory to simplify the hard calculation. We then move on to the study of the Higgs decay branching ratios which are also affected by diverse uncertainties. We will present the combination of the production cross sections and decay branching fractions in some specific cases which will show interesting consequences on the total theoretical uncertainties. We move on to present the results confronted to experiments and show that the theoretical uncertainties have a significant impact on the inferred limits either in the SM search for the Higgs boson or on the MSSM parameter space, including some assessments about SM backgrounds to the Higgs production and how they are affected by theoretical uncertainties. One significant result will also come out of the MSSM analysis and open a novel strategy search for the Standard Higgs boson at the LHC. We finally present in the last part some preliminary results of this study in the case of exclusive production which is of utmost interest for the experimentalists.

Le 4 Juillet 2012, la découverte d'une nouvelle particule scalaire d'une masse de l’ordre de 125 GeV a été annoncée par les collaborations ATLAS et CMS.Une nouvelle ère s'annonce : celle au cours de laquelle il faudra déterminer précisément les propriétés de cette nouvelle particule.Cela est crucial afin d'établir si cette particule est bien la trace du mécanisme responsable de la brisure de la symétrie du secteur électro-faible. Cela permettrait aussi de repérer tout élément susceptible d'être associé à une « nouvelle physique » dans le cas où le mécanisme de brisure ferait intervenir des ingrédients autres que ceux prédits par le Modèle Standard.Dans cette thèse, nous avons essayé de comprendre et de caractériser jusqu’à quel point ce nouveau champ scalaire est le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Nous avons établi les applications d'une telle découverte dans le contexte de théories supersymétriques et de modèles décrivant la matière noire.Dans une première partie consacrée au Modèle Standard de la physique des particules, nous étudions après une courte introduction au domaine, le processus de production d'une paire de bosons de Higgs au LHC. Un résultat majeur est que ce mode de production permettra de mesurer le couplage trilinéaire du Higgs qui est un paramètre essentiel à mesurer afin de reconstruire le potentiel du Higgs et donc représente la dernière vérification à effectuer pour confirmer l'origine de la brisure spontanée de la symétrie électro-faible.La deuxième partie traite des théories supersymétriques. Après une introduction au sujet, un de nos importants résultats est d'avoir fortement contraint un certain nombre de modèles supersymétriques après la découverte du boson de Higgs. Nous avons aussi introduit une nouvelle approche qui permet aux physiciens expérimentateurs de rechercher de manière efficace les bosons de Higgs supersymétriques dans les expériences actuelles et futures du LHC.La troisième partie concerne la matière noire. Nous présentons des résultats qui établis-sent d'importantes limitations sur des modèles où la matière noire interagirait avec le boson de Higgs. Nous discutons aussi de scénarios alternatifs qui font intervenir de la matière noire hors équilibre avec le bain thermique. Dans un premier temps nous dé-montrons qu'il existe un lien étroit entre la température de réchauffement de l'univers et le schéma de brisure du groupe de jauge du Modèle Standard et dans un deuxième temps nous étudions la genèse de matière noire par l'intermédiaire de nouveaux bosons Z’. / On the 4th of July 2012, the discovery of a new scalar particle with a mass of order 125 GeV was announced by the ATLAS and CMS collaborations. An important era is now opening: the precise determination of the properties of the produced particle. This is of extreme importance in order to establish that this particle is indeed the relic of the mechanism responsible for the electroweak symmetry breaking and to pin down effects of new physics if additional ingredients beyond those of the Standard Model are involved in the symmetry breaking mechanism. In this thesis we have tried to understand and characterize to which extent this new scalar field is the Standard Model Higgs Boson and set the implications of this discovery in the context of Supersymmetric theories and dark matter models.In a first part devoted to the Standard Model of particle physics, we discuss the Higgs pair production processes at the LHC and the main output of our results is that they al-low for the determination of the trilinear Higgs self-coupling which represents a first important step towards the reconstruction of the Higgs potential and thus the final verifica-tion of the Higgs mechanism as the origin of electroweak symmetry breaking.The second part is about Supersymmetric theories. After a review of the topics one of our result is to set strong restrictions on Supersymmetric models after the Higgs discov-ery. We also introduce a new approach which would allow experimentalists to efficiently look for supersymmetric heavy Higgs bosons at current and next LHC runs.The third part concerns dark matter. We present results which give strong constraints on Higgs-portal models. We finally discuss alternative non-thermal dark matter scenario. Firstly, we demonstrate that there exists a tight link between the reheating temperature and the scheme of the Standard Model gauge group breaking and secondly we study the genesis of dark matter by a Z’ portal.

Le futur Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur leptonique dont le but est de poursuivre le programme physique effectué par le LHC. Ce collisionneur permettra, entre autres, de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC. Deux détecteurs de particules sont prévus pour équiper le point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD. Ces deux détecteurs sont conçus afin de permettre l'application d'algorithmes de suivi de particules. Cette technique innovante permettrait d'améliorer la reconstruction et la mesure en énergie des jets. Pour permettre l'application de ces algorithmes de suivi de particules, les calorimètres équipant ces détecteurs doivent disposer d'une très grande granularité. Le calorimètre hadronique à lecture semi-numérique SDHCAL fait partie des options possibles pour équiper l'ILD. Ce calorimètre utilise des chambres à plaques résistives de verre comme partie active. La lecture s'effectue par des canaux de 1 cm x 1 cm. Un prototype a été développé en 2011, en grande partie à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et régulièrement soumis à des faisceaux de muons, d'électrons et de hadrons au CERN. Une grande partie de cette thèse est consacrée à mes travaux sur le programme de simulation du SDHCAL. L'analyse des données enregistrées en Octobre 2015 m'a permis de perfectionner l'algorithme de simulation des chambres à plaques résistives de verre utilisées dans le prototype. Une comparaison de la topologie des gerbes hadroniques et électromagnétiques entre des gerbes provenant de données expérimentales et des gerbes simulées sera présentée. Une autre partie est consacrée à la reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques au sein du SDHCAL. En utilisant la simulation du SDHCAL, j'ai pu étudier l'impact de la composante électromagnétique sur l'estimation de l'énergie des gerbes hadroniques, ce qui m'a permis de proposer une méthode alternative de reconstruction de l'énergie permettant d'améliorer les performances du SDHCAL. J'ai pu également étudier l'impact de l'utilisation d'une électronique de lecture plus avancée sur l'estimation de l'énergie. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la mesure de la section efficace du processus e+e- → HZ en utilisant les désintégrations hadroniques du Z, dans le cadre d'une simulation complète de l'ILD utilisant le SDHCAL comme calorimètre hadronique. Pour une énergie de collision de 250 GeV, la précision attendue sur la mesure de cette section efficace est de 1,8%. Cette précision est comparable à celle obtenue en utilisant les désintégrations leptoniques du Z / The future International Linear Collider ILC is a project of a leptonic collider which aims to continue the physical program of the LHC. Using this collider, it will be possible to precisely measure the properties of the Higgs Boson, discovered in 2012 at the LHC. Two particle detectors are planned to equip the colliding point of the ILC, the International Large Detector ILD, and the Silicon Detector SiD. These two detectors are designed with the prospect of using particle flow algorithms. This innovative technique can improve the reconstruction and energy measurement of the jets. To apply these particle flow algorithms, highly granular calorimeters have to be used. The semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL is proposed to equip the International Large Detector. This calorimeter uses Glass Resistive Plate Chambers as the active part. The readout is done using 1cm x 1cm channels. A prototype has been developed in 2011, mainly at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon, and regularly exposed to muons, electrons and hadrons beams at CERN. During this thesis, I mainly worked on the SDHCAL simulation program. Using the data taken in October 2015, I could improve the algorithm which simulates the response of the Glass Resistive Plate Chambers used in the prototype. A comparison of the topology of the electromagnetic and hadronic showers from data and simulation will be presented. Another part of this thesis is focused on the energy reconstruction of the hadronic showers in the SDHCAL. By using the SDHCAL simulation, I could study the impact of the electromagnetic component on the energy estimation of the hadronic showers, from which I could propose an alternative method for reconstructing the energy, which improves the performance of the SDHCAL. I could also study the impact of using a more advanced readout electronics on the energy estimation

Cette thèse s'inscrit dans le contexte des premières années d'exploitation du Large Hadron Collider (LHC). Cet appareil monumental a été construit dans le but d'explorer la physique de l'infiniment petit à l'échelle du TeV. Un des objectifs majeurs du LHC est la recherche du boson de Higgs. Sa découverte validerait le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible, au travers duquel les bosons W et Z acquièrent leur masse. L'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) analyse les collisions de protons du LHC. Leur fréquence élevée (20 MHz) permet d'observer des phénomènes rares, comme la production et la désintégration d'un boson de Higgs, mais elle nécessite alors une sélection rapide des collisions intéressantes, par un système de déclenchement. Les ressources informatiques disponibles pour le stockage et l'analyse des données imposent une limite au taux de déclenchement : la bande passante, répartie entre les différents signaux physiques, doit donc être optimisée. Dans un premier temps, j'ai étudié le déclenchement sur les électrons : ils constituent une signature claire dans l'environnement hadronique intense du LHC et permettent à la fois des mesures de haute précision et la recherche de signaux rares. Ils font partie des états finaux étudiés par un grand nombre d'analyses (Higgs, électrofaible, etc.). Dès les premières collisions en 2010, la présence de signaux anormaux dans l'électronique de lecture du calorimètre électromagnétique (ECAL) constituait une source d'augmentation incontrôlée du taux de déclenchement. En effet, leur taux de production augmentait avec l'énergie et l'intensité des collisions : ils étaient susceptibles de saturer la bande passante dès 2011, affectant gravement les performances de physique de CMS. J'ai optimisé l'algorithme d'élimination de ces signaux en conservant une excellente efficacité de déclenchement sur les électrons, pour les prises de données en 2011. D'autre part, l'intensité croissante des collisions au LHC fait perdre leur transparence aux cristaux du ECAL, induisant une inefficacité de déclenchement. La mise en place de corrections hebdomadaires de l'étalonnage du système de déclenchement a permis de compenser cette inefficacité. Dans un second temps, j'ai participé à la recherche du boson de Higgs dans son mode de désintégration en deux leptons tau. Cette analyse est la seule qui puisse actuellement vérifier le couplage du boson de Higgs aux leptons. Le lepton tau se désintégrant soit en lepton plus léger (électron ou muon), soit en hadrons, six états finaux sont possibles. Je me suis concentré sur les états finaux semi-leptoniques (électron/muon et hadrons), où la signification statistique du signal est maximale. Les algorithmes de déclenchement dédiés à cette analyse sélectionnent un lepton (électron ou muon) et un « tau hadronique » d'impulsions transverses élevées. Cependant, cette sélection élimine la moitié du signal, ce qui a motivé la mise en place d'algorithmes sélectionnant des leptons de basse impulsion, incluant une coupure sur l'énergie transverse manquante. Celle-ci limite le taux de déclenchement et sélectionne des évènements contenant des neutrinos, caractéristiques des désintégrations du lepton tau. Les distributions de masse invariante des processus de bruit de fond et de signal permettent de quantifier la compatibilité entre les données et la présence ou l'absence du signal. La combinaison de l'ensemble des états finaux conduit à l'observation d'un excès d'évènements sur un large intervalle de masse. Sa signification statistique vaut 3,2 déviations standard à 125 GeV ; la masse du boson mesurée dans ce canal vaut 122 ± 7 GeV. Cette mesure constitue la toute première évidence d'un couplage entre le boson de Higgs et le lepton tau. / This thesis fits into the first operating years of the Large Hadron Collider. This monumental machine was built to explore the infinitesimal structure of matter at the multi-TeV scale. The LHC aimed primarily at searching for the Higgs boson, the discovery of which would confirm the electroweak symmetry breaking model. This mechanism, which provides W and Z bosons with a mass, describes the transition from a unified electroweak interaction to a weak interaction (short range) and an electromagnetic interaction (infinite range). The LHC's proton collisions, operated at a 50 ns period, are analysed by 4 large detectors, including the Compact Muon Solenoid (CMS). This small period allows to observe very rare phenomena, such as the Higgs boson production and decay, but it requires a fast online selection of the interesting collisions: the trigger system. The computing resources available for the data's storage and analysis set a limit to the trigger rate. Therefore the bandwidth, which is split into several physics signals, must be optimised. Firstly, I studied the electron trigger: electrons are a clear signature in the intense hadronic environment within the LHC and allow a high measurement accuracy, as well as a search for rare signals. Besides, they are part of the final states investigated by a large number of analyses (Higgs, electroweak, etc). From the first collisions in 2010, anomalous signals in the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL) were a source of uncontrolled trigger rate increase. Indeed, their production rate increased along with the collisions' energy and intensity: they were likely to saturate the bandwidth as early as 2011, crippling drastically the CMS physics performances. I optimised the anomalous signal rejection algorithm, while conserving an excellent electron triggering efficiency, as regards the data collected in 2011. Moreover, the increasing intensity of the LHC collisions causes a loss of transparency in the ECAL crystals. The setting-up of weekly corrections to the ECAL trigger calibration helped make up for the inefficiency caused by this loss of transparency. Secondly, I contributed to the search for the Higgs boson decaying to 2 tau leptons. So far, this analysis proved to be the only possible method to check the coupling of the Higgs boson to leptons. The tau lepton decays either into lighter leptons (electron or muon), or into hadrons: hence the study of six final states. I focused on the semileptonic final states, in which the expected signal is the most statistically significant. The trigger algorithms dedicated to this analysis select a lepton and a hadronic tau, with high transverse momenta. However, this selection removes half of the signal, which motivated the elaboration of new algorithms selecting low momenta leptons, including a cut on the missing transverse energy. This cut helps controlling the trigger rate and selects events containing neutrinos, which are a distinguishing feature of the tau lepton decay. The invariant mass distributions for all background and signal processes allow to quantify the compatibility between the acquired data and the presence of a signal. The combination of all final states leads to the observation of an excess of events over a large mass range. Its statistical significance is 3,2 standard deviations at 125 GeV ; the boson mass measured in this channel is 122 ± 7 GeV. This measurement is the first evidence for a coupling between the Higgs boson and the tau lepton.

Dans les études présentées ici, seules les données collectées par le détecteur ATLAS sont analysées. La première partie du document décrit en détails le contexte théorique sous-jacent à ces études, ainsi que lecolllisioneur LHC et l'expérience ATLAS. Le LHC étant un collisionneur hadronique, l'identification et la reconstruction des leptons est cruciale pour les mesures précises de section efficaces des processus du Modèle Standard, ou la recherche de nouvelle physique. C'est pourquoi la deuxième partie du document est dédiée aux mesures de performances : mesures in situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La recherche de nouvelle physique est présentée dans la troisième partie du document. Cette étude a été réalisée dans le canal incluant deux leptons de même charge et de l'énergie transverse manquante. Les résultats inclus ont été obtenus avec un ensemble de données collectées à $sqrt s$ = 8 TeV correspondant à une luminosité intégrée de L = 20 fb$^{-1}$, ainsi que les premières données collectées avec $sqrt s$ = 13 TeV. L'état final constitué d'une paire de leptons de même charge et de jets permet également la mesure directe du couplage de Yukawa pour le quark top, à l'aide du processus $ppto tbar tH$. Ce couplage est le plus élevé dans le Modèle Standard et associe les deux particules élémentaires les plus lourdes prédites par la théorie, le quark top et le boson de Higgs. Dans la quatrième partie de ce document, une étude complète de la sensibilité pouvant être atteinte avec une énergie de $sqrt s$ = 13TeV et une luminosité intégrée de 100 fb$^{-1}$ of data, est présentée pour le canal incluant deux leptons de même charge. / For the presented studies only the data recorded with the ATLAS detector is analyzed. The theoretical framework, the LHC collider and the ATLAS experiment are given in the first part of this thesis.At hadron colliders, the lepton identification and reconstruction are crucial for precise SM cross sections and coupling measurements or for new physics searches. Therefore, the second part of my thesis is dedicated to performance studies : in-situ measurements of electron identification and reconstruction efficiencies. The search for new physics is presented in the third part of the thesis. For these studies the channel with two same~- sign leptons and missing transverse energy is considered. The results are obtained with $L$~=~20 fb$^{-1}$ of data recorded at $sqrt s$ = 8 TeV and with the very first data at $sqrt s$ = 13 TeV. At the end of Run-1 no significant excess in data over the Standard Model prediction is observed and stringent limits on the supersymmetric particle masses are set. With the two same - sign leptons and jets final state it is also possible to measure directly the top quark Yukawa coupling using the ttbar + $H$ channel. This coupling is the largest in the Standard Model and it connects two of the heaviest particles predicted by the Standard Model, the top quark and the Higgs boson. In the fourth part of this thesis, a complete optimization is performed to reach the highest sensitivity for this signal in the two same~- sign leptons channel at $sqrt s$ = 13 TeV with 100 fb$^{-1}$ of data, corresponding to the end of Run-2.

We present in this thesis a detailed analysis of Higgs boson interactions at future colliders. In particular we examine, in a model independent way, the sensitivity of an Linear Collider in probing the interaction of Higgs boson with a pair of vector bosons with/without the use of polarized initial beams and/or the information on final state fermion polarization. We devise several observables which have definite transformation properties under discrete symmetry operations to constrain the different anomalous parts of the Higgs boson interactions having the same transformation properties. We also investigate effects of initial state radiation (ISR) and beamstrahlung on probes of anomalous Higgs boson couplings at higher center of mass energies. We begin the first chapter with an introduction of the Standard Model (SM) of particle physics. We mainly focus on the Higgs sector of the SM. In this chapter we review the electroweak (EW) symmetry breaking mechanism, viz. the Higgs mechanism, responsible for generating masses of all the particles in the SM. We briefly summarize the high precision tests of the SM. We discuss constraints on the mass of the SM Higgs boson derived from theoretical considerations such as stability of the electroweak vacuum, unitarity in scattering amplitudes, perturbativity of the Higgs self-coupling and no fine-tuning in the radiative corrections in the Higgs sector. Next we present the experimental bounds on the mass of the SM Higgs boson obtained from the direct searches of the Higgs boson at LEP and from the electroweak high precision measurements. We then discuss the importance of a general model independent approach to study properties of the Higgs boson and to verify the uniqueness of the SM. In the context of low energy effective theory, this analysis can be made by using the effective Lagrangian that contains higher dimensional operators. We conclude this chapter giving examples of dimension-6 operators which can contribute to the anomalous Higgs boson interactions that we analyze in this thesis. Second chapter contains the dominant Higgs boson production processes at an collider.In a model independent analysis we consider the effects of the most general ¯ (V = W Z) vertex, consistent with Lorentz invariance, for the process where f is any light fermion. This vertex also includes the possibility of CP violation and can be written as: where ki denote the momenta of the two W’s (Z’s), ǫναβis the antisymmetric tensor with ǫ0123 = 1. Previous studies showed that the squared matrix element of the process e+e−ZH does not include all the anomalous parts of a general ZZH vertex. Also it is obvious that one cannot analyse anomalous WWH couplings using this process. Hence we consider the full process e+e−ffH to probe all the anomalous parts of the VVH vertex. We devise a general and very elegant procedure to probe these couplings at an e+e−collider. We construct various combinations by taking dot and scalar triple product of momenta of initial and final state particles. These combinations have definite transformation properties under CP and naive time reversal (T˜)transformations. Hence the corresponding observables constructed using expectation value of sign of these combinations can probe a specific part of the anomalous VVH couplings whose coefficient in the effective Lagrangian has same transformation properties. We investigate the possible sensitivity to which the anomalous VVH couplings can be probed at a Linear Collider using these observables in the process e+e−ffH for unpolarized beams [1, 2]. We consider the case of a Linear Collider, operating at center of mass energy of 500 GeV, with an integrated luminosityof 500 fb−1 and assume a Higgs boson of mass 120 GeV. We impose various kinematical cuts on different final state particles to reduce backgrounds ¯and consider the events where H decays into bb with branching ratio 0.68. We can enhance or suppress the effect of the s-channel, Z-exchange diagram by imposing cut on the ¯invariant mass of the ff system. We use b-tagging efficiency to be 70%; a value expected to be possible in the collider environment. We first consider asymmetries involving either the polar or azimuthal angular distributions. Then we combine these informations to construct combined polar-azimuthal asymmetries in order to enhance the sensitivity. We obtain strong constraints on most of the anomalous parts of the ZZH vertex using cross section and these asymmetries. The process e+eν¯ −νH has two missing ν’s in the final state. Hence their momenta are not available to construct any observables. Therefore, direct probes for T˜-odd WWH couplings viz. ℑ(bW), ℜ(˜bW), cannot be constructed and only weak, indirect bounds are possible. Further, without using polarized beams the contamination from the ZZH vertex cannot be eliminated in the determination of WWH couplings. In the third chapter we analyze use of linearly polarized e+/e−beams and/or information on final state lepton polarization in probingthe interaction of the Higgs boson with a pair of vector bosons[3, 4]. We make several combinations of different particle momenta and spins. We then define observables as expectation values of signs of these combinations for longitudinally polarized beams and/or for production of final state τ’s with a definite helicity state. Use of polarization allows us to devise more observables as compared to the unpolarized case. We list the observables for which use of polarization affords a distinct gain in sensitivity. In our analysis we divide the total luminosity of 500 fb−1 equally among different polarization states of initial state e−/e+ and take the values 80% and 60% for e−/e+ respectively, foreseen at the ILC. We construct numerical combinations of various linearly polarized cross sections to enhance the contribution of ℜ(bZ) while getting rid of ΔaZand vice versa. It is necessary to construct such combinations of cross section as ℜ(bZ), ΔaZhave same CP and T˜transformation properties and hence there are no asymmetries that can be constructed to probe them individually. With these combinations it is possible to probe both these CP-and T˜-even couplings cleanly, using linearly polarized beams. We find that longitudinal beam polarization can improve the sensitivity to CP-odd ZZH couplings viz. ℜ(˜bZ), ℑ(˜bZ), by a factor of about 6 −7. We also construct observables for final state τ’s with definite helicity. We make a plausible assumption that it should be possible to isolate events with τ’s in definite helicity state with an efficiency of 40%. With this assumption we demonstrate that the use of final state τ polarization can improve the sensitivity to the CP-even and T˜-odd ZZH coupling (ℑ(bZ)) by a factor of about 3. Moreover use of final state τ-polarization measurement along with linearly polarized beams can improve the sensitivity for one of the CP-odd ZZH couplings (ℜ(˜bZ))bya factor of about 2.Use of longitudinally polarized beams can also help to reduce the contamination in the measurement of the WWH couplings coming from the ZZH vertex contribution. We also perform χ2-analysis using the observables for different polarizations. The cross section of the t–channel diagram increases with increasing center of mass energy. Therefore, off hand it may look like that going to higher energy can increase the sensitivity to WWH couplings. Hence in this chapter we further investigate possible gain in sensitivity going to higher center of mass energies[3, 4]. We use the same observables constructed with unpolarized beams and consider various center of mass energies ranging from 300 GeV to 3 TeV. We find that it is possible to increase the bZ)byabouta factor 2 1 TeVas compared to the case of 500 GeV. In this analysis we include the effects of initial state radiation (ISR) and beamstrahlung. Both the ISR and beamstrahlung =500 GeV, the ISR can affect cross sections for s–channel processes by 10−15%.However, we observe that the effects of ISR and beamstrahlung change both the SM and anomalous contributions more beneficial for the study of anomalous V V H couplings. In the last chapter we investigate the role of transversely polarized beams to constrain the anomalous V V H couplings[5]. Using transverse spin direction of e±it is possible to devise observables which are nonzero only for transversely polarized beams. Use of transverse beam polarization allows construction of completely independent probes of both the CP-and T˜-even anomalous ZZH couplings (ΔaZ, ℜ(bZ)), leading to independent determination of all the anomalous parts of the ZZH vertex. In addition the use of transverse beam polarization can also add to the sensitivity for one of the CP-odd ZZH couplings viz. ℜ(˜bZ). Measurement of final state τ-polarization with transversely polarized beams can in fact also offer improvement on the sensitivity for ℑ(bZ) which is even under CP-and odd under T˜-transformation. Use of transverse beam polarization cannot improve the bounds on the anomalous WWH couplings as the squared matrix element of the t– channel WW–fusion diagram does not have any transverse beam polarization dependent term. A summary of the results obtained in this thesis is follows. We have developed a general procedure to construct observables with specific CP and T˜transformation properties to probe various anomalous couplings of the Higgs boson to a pair of vector bosons (V = W/Z) at an e+/e−Linear Collider. We investigate probes of these couplings in the process e+e−ffH. This process gives access to those anomalous couplings which cannot be probed using angular distribution of the Z boson in the process e+eZH. We showed that it would be possible to obtain stringent bounds on some of the parts of the anomalous ZZH vertex even without using polarized beams and/or information on polarization of final state particles. Use of longitudinal beam polarization and/or final state τ polarization can significantly enhance the sensitivity in probing most of the anomalous parts of a general ZZH vertex. Use of longitudinal beam polarization also reduces the contamination from the ZZH couplings in the determination of the ˜T-even anomalous WWH couplings (ℜ(bW), ℑ(˜bW)). However, two missing neutrinos in the final state do not allow any direct probe of the T˜-odd WWH couplings (ℑ(bW), ℜ(˜bW)).We find that use of transverse polarization of the beams is essential to construct independent probes of the two anomalous ZZH couplings, which are even under CP and T˜transformations, viz.ΔaZand ℜ(bZ).We observed that there will be no significant gain 500 GeV), but with polarized beams is preferable from the point of view of studying anomalous V V H coupling. (For mathematical equations pl see the pdf file.)

La production de paires de quarks top se désintégrant en deux leptons dont au moins un lepton tau est étudiée dans le cadre de l'expérience CDF auprès du collisionneur proton-antiproton, Tevatron, a FNAL aux USA. La sélection exige un électron ou un muon produit par désintégration du lepton tau ou par désintégration d'un W. L'analyse utilise toutes les données enregistrées, 9 fb-1, avec un déclenchement basé sur un électron ou muon à faible moment transverse et une trace chargée isolée. La section efficace de production de paires de top a cette énergie obtenue est de 8,2+-1.7(+1.2-1.1)+-0,5 pb, et le rapport de branchement en leptons tau est de 0,120+-0,027(+0,022-0,019)+-0,007 avec erreur statistique, systématique et sur la luminosité respectivement. Ce sont à jour les résultats les plus précis dans ce canal de désintégration du top, en bon accord avec les résultats obtenus au Tevatron avec tous les autres canaux de désintégration du top. Le rapport de branchement est aussi mesuré en séparant les événements tau plus lepton et avec deux leptons tau avec une méthode de maximum de vraisemblance. C'est la première fois que ces modes de désintégration sont identifiés séparément. Par une méthode de maximum de vraisemblance appliquée pour séparer ces deux canaux une mesure alternative du rapport de branchement du top en lepton tau de 0,098+-0,022(stat.)+-0,014(syst.) est obtenue, en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard. Une limite supérieure de 0,159 pour ce rapport de branchement, avec 95% de niveau de confiance est extraite donnant un indice de Physique au delà du Modèle Standard en particulier un possible boson de Higgs chargé.

The Higgs boson has an important role in the theoretical formulation of the standard model of fundamental interactions. Symmetry breaking of the vacuum via the Higgs field allows the gauge bosons of the weak interaction and all fermions to acquire mass in a way that preserves gauge-invariance, and thus renormalizablility. The Standard Model can accommodate an arbitrary number of Higgs fields with appropriate charge assignments. To explore the effects of multiple Higgs particles, the SU(2)-multi-Higgs model is studied using lattice simulations, a non-perturbative technique in which the fields are placed on a discrete space-time lattice. The formalism and methods of lattice field theory are discussed in detail. Standard results for the SU(2)-Higgs model are reproduced via Monte Carlo simulations, in particular the single-Higgs phase structure, which has a region of analytic connection between the symmetric and Higgs phases. The phase structure of the SU(2)-multi-Higgs model is explored for the case of N >= 2 identical Higgs fields. There is no remaining region of analytic connection between the phases, at least when interactions between different Higgs flavours are omitted. An explanation of this result in terms of enhancement from overlapping phase transitions is explored for N = 2 by introducing an asymmetry in the hopping parameters of the Higgs fields.

The Higgs boson has an important role in the theoretical formulation of the standard model of fundamental interactions. Symmetry breaking of the vacuum via the Higgs field allows the gauge bosons of the weak interaction and all fermions to acquire mass in a way that preserves gauge-invariance, and thus renormalizablility. The Standard Model can accommodate an arbitrary number of Higgs fields with appropriate charge assignments. To explore the effects of multiple Higgs particles, the SU(2)-multi-Higgs model is studied using lattice simulations, a non-perturbative technique in which the fields are placed on a discrete space-time lattice. The formalism and methods of lattice field theory are discussed in detail. Standard results for the SU(2)-Higgs model are reproduced via Monte Carlo simulations, in particular the single-Higgs phase structure, which has a region of analytic connection between the symmetric and Higgs phases. The phase structure of the SU(2)-multi-Higgs model is explored for the case of N >= 2 identical Higgs fields. There is no remaining region of analytic connection between the phases, at least when interactions between different Higgs flavours are omitted. An explanation of this result in terms of enhancement from overlapping phase transitions is explored for N = 2 by introducing an asymmetry in the hopping parameters of the Higgs fields.