Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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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.

ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules située sur le collisionneur LHC du CERN. Dans ce document, est résumée mon activité entre 2004 et 2009 au sein de la collaboration ATLAS, qui s'est articulée autour de 2 axes forts : - étude de la mise en route du calorimètre à argon liquide; - estimation du potentiel de découverte de nouveaux bosons de jauge massifs. Les perspectives pour les années 2010-2015, très prometteuses avec les premières collisions attendues sont également détaillées.

Ce travail de thèse se situe dans le cadre de l'experience ATLAS au LHC. Une première partie du travail présenté dans ce document porte sur l'étalonnage temporel du calorimètre à argon liquide d'ATLAS (LAr). Le control de l'alignement temporel du calorimètre est important pour la bonne qualité de l'énergie reconstruite dans le calorimètre. Les résultats présentésdans cette thèse ont permis une amélioration de 30% de la résolution temporelle globale du calorimètre LAr.Le Modèle Standard de la physique des particules prédit, lors des collisions de protons, la production de bosons faibles W et Z par paire via l'interaction d'un quark et d'un anti-quark. La production de dibosons peut être sensible aux couplages des bosons vecteurs entre eux. Une déviation anomale de ces couplages par rapport aux valeurs prédites par le MS pourrait signer la présence de nouvelle physique. L'exploitation de toute la statistique des données 2012 d'ATLAS nous a permis d'accroitre la précision de la mesure de ces couplages par rapport aux précédents résultats basés sur des lots de données moindres. Cette thèse présente donc la mesure de la section efficace de production des dibosons WZ utilisant l'ensemble de données collectées par ATLAS en 2012 lors de collisions p-p au LHC à une énergie de 8 TeV au centre de masse. Avecla statistique disponible, le rapport des sections efficaces de production des événements W^+Z et W^-Z a pu être aussi mesuré. Cette dernière mesure n'avait pu être effectuée jusqu'alors en utilisant les données 2011 en raison du manque de statistique. Enfin, des mesures de section efficaces différentielles normalisées en fonction de quatre variables cinématiques ont aussi étéeffectuées. La précision sur la section efficace integrée mesurée est de 5.5%, ce qui est atteint en réduisant l'incertitude statistique par 55% par rapport aux précédents résultats d'ATLAS. Ainsi, les incertitudes expérimentales des mesures ont commencé à se rapprocher des incertitudes des prédictions théoriques. Ceci est prometteur pour les futures mesures au LHC avec beaucoup plus de statistique où l'on s'attend alors à une augmentation significative de la précision expérimentale. / This thesis is performed in the frame of the ATLAS experiment at the LHC.A first part of the work presented in this document consists on the time calibration of the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter. The control of the time alignment of the calorimeter is important for the goodness of the quality of the energy reconstructed in the calorimeter. The results presented in this thesis have allowed an improvement of 30% of the global time resolution of the LAr calorimeter.The Standard model of particle physics predicts, during proton collisions, the production of the W and Z weak bosons as a pair due to the interaction of a quark with an anti-quark. The diboson production can be sensitive to the couplings between vector bosons.An anomalous deviation of these couplings from the prediction of the SM would point to the presence of new physics.The use of the full statistics of the 2012 ATLAS data allowed us to increase the precision of the measurement of these couplings compared to previous results based on smaller datasets.This thesis presents therefore the measurement of the WZ dibosons production cross section using the full 2012 data collected by the ATLAS experiment from the p-p collisions at the LHC at a center-of-mass energy of 8~TeV. Also, with the available statistics the ratio of the production cross sections of W^+Z and W^-Z events were measured. This measurement was not performed previously using the 2011 data due to a lack of statistics. Finally, measurements of the normalized differential cross section as a function of four kinematic variables were also performed.The precision on the measured integrated cross section is 5.5% which is reached mainly by the reduction of the statistical uncertainty by 55% with respect to the previous ATLAS results. Therefore, the order of magnitude of the experimental uncertainties on the measurement started to approach that of the theoretical predictions. This is promising for future measurements at the LHC as with higher statistics the experimental precision is expected to overcome the theoretical one.

La présente thèse constitue le compte rendu de l'analyse menée auprès du détecteur ATLAS du LHC et concernant la recherche de processus de création résonante de nouvelles particules se désintégrant en une paire de quarks top. Elle s'articule principalement autour de la notion de jet de hadrons, dont l'identification et la reconstruction est un enjeu capital pour toute mesure essayant de signer l'apparition de quarks top lors de processus de collisions proton-proton. Après une mise en contexte portant sur une description générale des caractéristiques théoriques et expérimentales que présente la thématique de la détection de jets de hadrons dans le détecteur ATLAS, nous présentons une première tentative de validation de la méthode d'étalonnage hadronique local, dont le but est de corriger ces jets des imprécisions de mesure engendrées par le détecteur. Dans la deuxième partie du document figure l'analyse menée sur les 14~fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $sqrt{s} = 8$~TeV, récoltées lors de l'année 2012, à la recherche de l'apparition de processus de création résonante de nouvelle particules extit{lourdes} dans le spectre de masse invariante top-antitop. Pour des particules lourdes, les quarks tops produits lors de la désintégration de ces dernières possèdent une impulsion très grande par rapport à leur masse et la désintégration de tels quarks top conduit souvent à une topologie dans l'état final dite og boostée fg, où le quark top, s'il se désintègre de manière hadronique, est très souvent reconstruit comme un seul jet, de large paramètre de rayon. Le présent travail de thèse propose ainsi une étude préliminaire pour reconstruire et identifier le plus précisément possible ce type de signal, en se basant sur l'étude de la sous-structure des jets de hadrons. / This report presents the analysis conducted with the ATLAS experiment at the LHC and searching for resonnant production of new particles decaying into a pair of top quarks. Top quark reconstruction is mainly build upon the notion of hadronic jets, whose identification and reconstruction is a crucial issue for any measure trying to sign top quark decays from proton-proton collisions processes. After a general description of the theoretical and experimental features of jet reconstruction in the ATLAS detector, we present a first attempt to validate the local hadronic calibration method, which aim at correcting the measurement of these objects from inaccuracies caused by detector effects. In the second part, we present the analysis conducted on 14~fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $ sqrt{s}=$8~TeV collected during the year 2012 and searching for resonnant creation of new extit{heavy} particles in top-antitop invariant mass spectrum. For heavy particles, the quarks produced in the decay of the latter have a high impulsion with respect to their mass and those top quark decays often results in a so called og boosted fg topology, where the hadronically decaying top quark is often reconstructed as a single jet of large radius parameter. In this context, we present a preliminary study to reconstruct and identify as precisely as possible this type of boosted topologies, based on the study of jet substructure.

Cette thèse aborde quelques scénarios de nouvelle physique, ainsi que leurs manifestations dans le secteur des leptons.Le fait que les neutrinos soient massifs est un des problèmes non élucidés par le Modèle Standard. Une des solutions possibles est le mécanisme de seesaw, qui fait intervenir de nouveaux états lourds dont la désintégration viole le nombre leptonique. À cause de ce dernier point, ces états peuvent jouer un rôle clé dans la leptogenèse, un des scénarios susceptibles d'expliquer l'origine de l'asymétrie observée entre matière et antimatière dans l'univers. Nous étudions ici la leptogenèse avec un triplet scalaire et nous intéressons tout particulièrement l'impact des effets de saveur.Dans un second temps, nous considérons des théories supersymétriques. Nous étudions un modèle où le partenaire fermionique d'un pseudo-boson de Goldstone joue le rôle d'un neutrino stérile, qui pourrait expliquer certaines anomalies expérimentales. Enfin, pour être viable, la supersymétrie doit être brisée dans un secteur caché, et cette brisure doit ensuite être transmise aux champs de la théorie à basse énergie. Un des scénarios les plus élégants pour cela est la médiation de jauge. Malheureusement, celle-ci peine à reproduire la masse du boson de Higgs mesurée au LHC. Nous nous intéressons ici à des extensions susceptibles de réhabiliter ce scénario tout en le reliant mécanisme de seesaw. / This thesis addresses some scenarios of new physics as well as their consequences on the lepton sector. The fact that neutrinos are massive is one of the problems left unsolved by the Standard Model. One of the possible solutions is the seesaw mechanism, that involves new heavy states whose decay violates lepton number. Because of this, these states can participate in leptogenesis, one of the scenarios that could explain the origin of the asymmetry between matter and antimatter in our universe. Here, we study leptogenesis with a scalar triplet and consider especially the impact of flavour effects. After that, we turn to supersymmetric models. We consider a model in which the fermionic partner of a pseudo-Goldstone boson, associated to a symmetry broken at high energy, plays the role of a sterile neutrino, that could explain some experimental anomalies. Finally, to be viable, supersymmetry should be broken in a hidden sector, and this breaking should be transmitted to the fields of the low energy theory. One of the most elegant scenarios for this is gauge mediation. Unfortunately, it cannot easily reproduce the mass of the Higgs boson measured at LHC. We study here extensions that could rehabilitate this scenario and relate it to the seesaw mechanism.

Les désintégrations de quark $b$ rares interviennent principalement via des courant neutres changeant la saveur, (Flavor Changing Neutral Current, FCNC en anglais). Le modèle Standard n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Ces processus FCNC sont sujets \`a une suppression de GIM conduisant à des processus rares. Par conséquent les désintégration $b to s$ sont de très bon outils pour la recherche de phénomène de Nouvelle Physique au delà du Modèle Standard. Cette thèse présente l'analyse angulaire de la désintégration $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ avec l'ensemble des données collecté par l'expérience lhcb durant le run I du lhc. La complète série des observable angulaires a été mesuré via un ajustement d'une fonction de vraisemblance, gr$\hat{\rm a}$ce à une sélection amélioré et les 3 fb$^{-1}$ de donné collecté en 2011 et 2012 par lhcb. Par ailleurs, l'analyse du rapport $R_{K^*}$ est également présenté et les résultats sont attendu pour la fin de l'année 2015. / Rare beauty decays proceed mostly through the $b\to s$ Flavor Changing Neutral Current, which is possible only at loop level in the Standard Model. These FCNC processes are subject to GIM suppression leading to a rare decay. Therefore the $b\to s$ processes are good tools to look for New Physics phenomenon beyond the Standard Model. New Physics particle could become detectable by causing deviation from the Standard Model predictions for observables such as angular observables, branching ratio or CP asymmetries. This thesis present the angular analysis of the $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ decay with the whole dataset collected by lhcb during the first run of the lhc. The full set of the angular observables has been measured through a maximum likelihood fit, thanks to an improved selection and the 3 fb$^{-1}$ of data collected in 2011 and 2012 by lhcb. In addition, the analysis on the measurement of the ratio $R_{K^*}$ has also been presented and the results are expected by the end of 2015.

Malgré son impressionnant succès, le modèle standard de la physique des particules ne rend pas compte de toutes les observations expérimentales. De plus, des interrogations théoriques intrinsèques à sa formulation demeurent et requièrent des explications plus fondamentales. Par conséquent, au lieu d'être une théorie ultra-violette, le modèle standard doit plutôt être vue comme une description effective, valide à basse énergie, d'une théorie plus fondamentale et de la nouvelle physique devrait être introduite. On considère deux approches pour introduire la nouvelle physique. Dans la première, on étend le modèle standard avec seulement quelques nouveaux états en assumant que les états plus lourds sont découplés de l'échelle électro-faible. Cette approche est principalement phénoménologique car par hypothèse, les extensions que l'on considère sont une manifestation à basse énergie d'une théorie plus complète. On se concentre en particulier sur de nouveaux fermions car ils sont une prédiction commune à un ensemble de théories au delà du modèle standard fortement motivés. L'objet principal de cette approche est d'étudier l'effet de ces nouveaux fermions à la lumière des mesures récentes des couplages du Higgs. La seconde approche est plus théorique, elle est basée sur une théorie ultra-violette. On se concentre sur le modèles de Higgs composite qui ont pour vocation de résoudre le problème de hiérarchie de l'échelle électro-faible. Les modèles de Higgs composite étant réalisés dans le cadre d'un nouveau secteur fortement couplé constitué de nouveaux fermions fondamentaux, on étudie la dynamique non-perturbative avec le modèle de Nambu et Jona-Lasinio. On dérive par exemple dans ce contexte le spectre des résonances les plus légères que l'on pourra peut-être observer dans un proche futur au LHC ou à d'autre collisionneurs. / Despite its impressive success, the standard model of particle physics does not account for every experimental observations.In addition, it has some theoretical puzzles in its formulation that seem to require more fundamental explanations.Then, instead of an ultra-violet complete theory, the standard model should rather be viewed as an effective description of a more fundamental theory and new physics should be introduced.We follow two different approaches of new physics.In the first one, we extend the standard model by only few new states assuming that the heavier states are decoupled from the electro-weak scale.This approach is mostly phenomenological as by hypothesis the extensions that we consider are a low energy manifestation of a more complete theory.We particularly focus on new fermions as they are a common prediction of a lot of well-motivated beyond the standard model theories.The main purpose is to study the effect of these new fermions in light of the recent Higgs couplings measurements.%The second approach has a more theoretical origin and is based on an ultra-violet complete theory.We focus on composite Higgs models that aim to solve one theoretical puzzle of the standard model, that is, the hierarchy problem of the electro-weak scale.The composite Higgs paradigm being realised by a new strongly interacting sector made of new fundamental fermions, we study the non-perturbative dynamics using the Nambu and Jona-Lasinio model.We derive for instance the spectrum of the lightest resonances which could be observed in a near future at the LHC or at some other colliders.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.