Cette thèse présente une analyse de données collectées par le détecteur CMS, dont le but est la recherche de nouvelle physique dans des états finaux qui violent la conservation de la saveur leptonique. Elle commence avec une discussion du Modèle Standard de la physique des particules, en insistant sur la conservation de la saveur leptonique dans ce modèle, et sur la violation de cette conservation qui découle d’un grand nombre de modifications du Modèle Standard. Les problèmes non résolus en physique des particules sont présentés, ainsi que certains des modèles de nouvelle physique qui y répondent, et qui impliquent une violation de la conservation de la saveur leptonique. Nous discutons notamment la supersymétrie avec violation de la R-parité, des modèles avec des dimensions supplémentaires, et des modèles avec une symétrie de jauge U(1) supplémentaire. Ensuite, le LHC, le détecteur CMS, son système de déclenchement et son logiciel de reconstruction des événements sont tous décrits en détail. Les données analysées correspondent à une luminosité intégrée de 137 /fb collectée par CMS pendant trois années du Run 2 du LHC (2016-18), à une énergie du centre de masse √s = 13 TeV. La stratégie d’estimation du bruit de fond est de simuler tous les processus avec de vrais leptons dans l’état final, mais des méthodes basées sur les données sont utilisées pour les principaux bruits de fond où les leptons sont en fait des particules mal identifiées. Des facteurs de correction sont appliqués aux simulations afin de tenir compte d’effets expérimentaux et de calculs théoriques plus précis. Les données s’avèrent être compatibles avec les estimations du bruit de fond, en tenant compte des incertitudes, et une analyse statistique est faite afin d’exclure des modèles de nouvelle physique à un niveau de confiance de 95 %. Pour le modèle de référence, un boson Z’ avec des désintégrations qui ne conservent pas la saveur leptonique, les limites inférieures sur la masse de la résonance sont respectivement 5.0 TeV, 4.2 TeV et 4.1 TeV pour les états finaux eμ,eτ et μτ .C’est la première analyse CMS de ce genre dans les états finaux eτ et μτ ,et dans tous les canaux les résultats sont des améliorations considérables par rapport aux meilleurs résultats précédents. / This thesis presents a novel search for new physics in lepton flavor violating final states, using the CMS detector. There is first a discussion of the Standard Model of particle physics, with a particular emphasis on the issue of lepton flavor conservation, and how often that conservation is violated when generic modifications of the Standard Model are performed. The questions left unanswered by the Standard Model are presented, as well as some new physics models which resolve them, and in so doing imply the existence of processes violating charged lepton flavor conservation. R-parity violating supersymmetry, models with large extra dimensions,and models with an extra U(1) gauge symmetry are discussed. The Large Hadron Collider, the CMS detector, its trigger system and event reconstruction software are all described in detail. The data used for the analysis corresponds to an integrated luminosity of 137 /fb collected by CMS during three years of LHC Run 2 (2016-18), at a center-of-mass energy √s = 13 TeV. The background estimation strategy is to use simulations for all processes with real leptons, while large-yield processes with misidentified leptons are estimated with data-driven methods. The simulations are corrected by scale factors accounting for experimental calibration and more precise theoretical calculations. After comparing the observed data and the expected background, no evidence of new physics is found, and a statistical analysis is performed to exclude new physics models at the 95 % confidence level. For the benchmark lepton flavor violating Z’ model, the lower limit in the eμ (respectively eτ ,μτ ) final state on the resonance mass is 5.0 TeV (resp. 4.2 TeV, 4.1 TeV). Such an analysis had never been performed in the tau channels with the CMS detector, and in all channels these results considerably improve on the previous state-of-the-art results. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La thèse en physique des particules que j'ai effectuée au sein de l'équipe CMS (Compact Muon Solenoid) du Laboratoire Leprince-Ringuet de l'École Polytechnique porte sur l'analyse de la production de di-bosons pp→ZZ+X et la recherche de couplages anormaux et ce, dans le cadre de l'expérience CMS et des données accumulées à l'aide du grand collisionneur de hadrons du CERN, le LHC. Elle débute avec le démarrage du LHC en fin 2009 et l'étude et l'optimisation de la reconstruction des électrons via la combinaison de deux algorithmes afin d'améliorer les performances à bas moment transverse. Les critères de sélection des événements caractéristiques des désintégrations de bosons Z, assurant une sélection pure d'électrons, ont été étudiés. Les efficacités de reconstruction des électrons pour les données 2010 et 2011 ainsi que leurs erreurs statistiques et systématiques ont été mesurées et ces mesures ont ensuite été utilisées par la collaboration CMS pour les analyses 2010 et 2011. Une étude des caractéristiques des radiations dans l'état final (Final State Radiation) affectant les leptons issus de la désintégration du Z a été menée. Un algorithme en vue de récupérer les photons FSR et reconstruire pleinement la masse du Z a été développé et optimisé. Il corrige 4.2% des cas ZZ→4μ tout en assurant une pureté de sélection des photons FSR de 95.6%. L'analyse physique développée dans cette thèse porte sur la recherche et l'extraction de limites sur les couplages trilinéaires neutres. L'existence de ces couplages est interdite dans le formalisme du Modèle Standard mais peut cependant être introduite dans un Lagrangien effectif par l'ajout de deux termes de couplages f4Z et f5Z dans le cas du couplage ZZZ, en vue de la recherche d'une nouvelle physique. La présence de ces couplages anormaux se traduit généralement par une augmentation de la section efficace de production des di-bosons ZZ ainsi que par les déformations des distributions cinématiques des Z ou encore de la masse des 4 leptons par rapport à l'attendu Modèle Standard. Dans le cadre de l'analyse du canal pp→ZZ→4l, une sélection pure des événements a été établie et les distributions différentielles du moment transverse et de la rapidité des bosons Z sont également présentées. Une recherche des couplages anormaux est effectuée en utilisant une méthode de repondération des distributions simulées et des limites sont extraites par la technique CLs. Les limites obtenues avec un niveau de confiance de 95% sont: -0.0116< f4Z <0.0116 et -0.0119< f5Z <0.0119.

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Les désintégrations charmées rares interviennent principalement via des courants neutres changeant la saveur (FCNC). Le Modèle Standard (SM) n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Dans les désintégrations du charme, les FCNC sont sujets à une très efficace suppression de GIM. Des processus très rares sont donc à considérer. Ils sont d'excellents outils pour la recherche Nouvelle Physique (NP) au-delà du SM. Les particules de NP pourraient devenir détectables en écartant des observables telles que des rapports de branchement et des asymétries CP et angulaires prévisions de le SM. Le sujet principal de cette thèse est la mesure du rapport de branchement D0->K-π+ρ/ω(->µ+µ-). Il sera précieux en particulier en tant que mode de normalisation lors de l'étude de toutes les désintégrations D0 -> h-h’+ µ+µ- : D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- et D0 -> K+π-µ+µ-. En utilisant 2/fb de données collectées par LHCb en 2012, nous mesurons: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. C'est la toute première mesure de ce mode. Nous avons également étudié la sensibilité qu'attendra LHCb dans les modes D0 -> h-h’+ µ+µ- pour la mesure de rapport des branchements totaux et partiels, et pour celle d'asymétries, avec les échantillons de données qui seront collectés d'ici 10 ans. Par ailleurs, nous avons déterminé les incertitudes systématiques touchant les recherches de désintégrations à trois corps, D+(s) -> π+µ+µ- et D+(s) -> π-µ+µ+, effectués par LHCb dans les données recueillies en 2011 (1/fb). Enfin, les tests effectués sue les prototypes des cartes d'électronique embarquée qui assureront la lecture des calorimètres de l'expérience le LHCb mise à jour sont présenté dans cette thèse. / Rare charm decays proceed mostly through the c -> u Flavor Changing Neutral Current (FCNC), which is possible only at loop level in the Standard Model (SM). In charmed decays, FCNCs are subject to a very efficient GIM suppression, leading to very rare processes. Consequently, rare charm decays are good tools to probe to New Physics (NP) beyond the SM. NP particles could become detectable by causing observables such as branching ratios and CP or angular asymmetries to deviate from the SM predictions. The main subject of this thesis is the measurement of the branching ratio of the D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-) mode. It will be precious in the future, in particular as a normalization mode in the study of all: D0 -> h-h’+ µ+µ- decays D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- and D0 -> K+π-µ+µ-. Using 2/fb of 2012 LHCb data we find: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. This is the first measurement of this mode. We also determined sensitivities to total and partial branching fractions and asymmetries in D0 -> h-h’+ µ+µ- decays with future LHCb datasets. In addition, the systematic uncertainties affecting the searches for the 3-body decays, D+(s) -> π+µ+µ- and D+(s) -> π-µ+µ+, carried out by LHCb based on the data collected in 2011 (1/fb). Finally, the results of the tests of front-end electronic board for the Upgrade of LHCb are presented.

Je présente 10 ans de travaux de recherche sur la physique du B et de la violation de CP, dans le cadre de l'expérience BaBar à SLAC et du groupe d'interprétation phénoménologique et statistique de ces mesures : CKMfitter. Je place ces travaux dans la perspective du potentiel de physique de l'expérience LHCb, au CERN. Depuis 1998, j'ai participé à la fin de la construction du détecteur BaBar, notamment de sa chambre à fils et de son système de gaz, à sa mise en route et à sa prise de données jusqu'au mode de croisière et à la fin de son fonctionnement en 2008. Je décris les activités de calibration et d'études des données que j'ai menées pour la reconstruction et la sélection des électrons et les neutres dans BaBar. Je présente les mesures que j'a effectuées sur la physique des modes B en charmonium, qui ont servi à observer pour la première fois la violation de CP dans les mésons B, par la mesure du paramètre sin(2beta). Dans le cadre du groupe des désintégrations des mésons B en modes charmés, je présente les mesures que j'ai effectuées sur les modes supprimés de couleur, pour comprendre la phénoménologie des désintégrations des B et pour mesurer l'angle CKM beta, dans 2 approches alternatives aux modes charmonium. Enfin je décris les mesures de l'angle CKM gamma, par recherche de violation directe de CP, dans les modes B- en D(*)K- et DK*-.

Etudes phénoménologiques des modèles et théories au-delà du Modèle Standard auprès de collisionneurs actuels et futurs.<br /><br />Etude de l'énergie noire et de l'extraction des paramètres cosmologiques à partir de différentes sondes cosmiques.

La mise en évidence de nouvelle physique est l'un des enjeux des expériences auprès des grands collisionneurs TeVatron et LHC. Le quark top se place dans ce contexte de recherche. Des mesures de couplages et de propriétés du quark top non conformes aux prédictions théoriques seraient les premiers effets indirects d'une physique non décrite par le Modèle Standard.<br /><br />Le travail décrit dans cette thèse porte sur l'étude de la section efficace de production de quarks top par interaction forte au sein des deux collaborations D0 et ATLAS.<br /><br />Mon travail à D0 a tout d'abord consisté en l'amélioration de la reconstruction des électrons de faible impulsion au sein de jets. Ce nouvel algorithme peut désormais être utilisé pour identifier les jets de quarks b, produits dans les événements top-antitop recherchés. Ce travail s'est poursuivi par une analyse de mesure de la section efficace de production de paires de quarks top, avec 420 pb-1 de données de l'expérience D0. Les résultats de cette analyse sont en accord avec les prédictions du Modèle Standard.<br /><br />Dans l'expérience ATLAS, mon travail a consisté à élaborer une procédure de sélection des événements top-antitop, en adaptant les connaissances et les techniques issues de l'expérience D0 à l'environnement plus exigeant des collisions du LHC. Cette analyse a permis d'identifier les sources d'incertitudes qui auront un impact sur la mesure. Pour une année de fonctionnement du détecteur à basse luminosité, cette section efficace pourrait être mesurée avec une précision de quelques pourcents. Cette sensibilité permettrait de déceler des signes de nouvelle physique. La phénoménologie des événements top-antitop est modifiée par la présence de bosons de Higgs chargés apparaissant dans des modèles standard non minimaux. L'analyse effectuée dans ce nouveau cadre théorique a ainsi montré qu'une découverte serait possible pour certaines régions de l'espace des paramètres.

Cette thèse a pour but la recherche de Nouvelle Physique dans les événements à quatre quarks top en utilisant les données collectées dans les collisions proton-proton par l'expérience ATLAS au LHC. L'ensemble des données correspond à celui enregistré pendant tout 2011 à √s = 7 TeV et une partie de l'année 2012 à √s = 8 TeV. L'analyse est concentrée sur un état final avec deux leptons (des électrons et des muons) avec la même charge électrique. Cette signature est expérimentalement privilégiée puisque la présence de deux leptons avec le même signe dans l'état final permet de réduire le bruit du fond qui vient des processus du Modèle Standard. Les résultats sont interprétés dans le contexte d'une théorie effective à basse énergie, qui suppose que la Nouvelle Physique peut se manifester à basse énergie comme une interaction de contact à quatre tops droits. Dans ce contexte, cette analyse permet de prouver un type de théorie au delà du Modèle Standard qui, à basse énergie, peut se manifester de cette manière. Les bruits du fond pour cette recherche ont été estimés en utilisant des échantillons simulés et des techniques axées sur les données. Différentes sources d'incertitudes systématiques ont été considérées. La sélection finale des événements a été optimisée en visant à minimiser la limite supérieure attendue sur la section efficace de production des quatre tops si aucun événement de signal n'est trouvé. La région du signal a été ensuite examinée à la recherche d'un excès d'événement en comparaison avec le bruit du fond prévu. Aucun excès d'événement n'a été observé, et la limite supérieure observée sur la section efficace de production de quatre quarks top a été calculée. Ceci a permis de calculer la limite supérieure sur la constante de couplage C/lambda 2 du modèle. Une limite supérieure sur la section efficace de production de quatre tops dans le Modèle Standard a été aussi calculée dans l'analyse à √s = 8 TeV. En plus de l'analyse physique du signal de quatre tops, des études concernant le système d'étalonnage LASER du calorimètre Tile ont été présentées. Ces études sont liées au système des photodiodes utilisé pour mesurer l'intensité de la lumière dans le système LASER.

Le Modèle Standard, qui décrit les interactions entre les particules à l’échelle quantique, est une théorie imparfaite. Il possède plusieurs problèmes théoriques non-résolus et ne permet pas d’expliquer certaines observations astrophysiques comme celles de la matière noire et de l’asymétrie baryonique. Plusieurs théories, dites au-delà du Modèle Standard, ont été proposées afin de résoudre certains de ces problèmes, et une grande partie d’entre elles prévoient l’apparition de nouveaux phénomènes à haute énergie. L’objectif principal de cette thèse est de rechercher ces phénomènes dans les collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Une partie des travaux présentés dans cette thèse a en particulier été dédiée à la recherche de processus de production de quarks top de même signe, c’est-à-dire de même charge électrique, qui sont prédits par des modèles de supersymétrie à R-parité violée. Ces processus engendrent des évènements composés de leptons de même charge accompagnés de b-jets, lesquels ont l’avantage d’être faiblement contaminer par le bruit de fond provenant du Modèle Standard.Les travaux présentés dans cette thèse ont essentiellement porté sur deux analyses, chacune recherchant des phénomènes de nouvelle physique de nature différente dans les évènements composés de leptons de même charge dans les données enregistrées par le détecteur ATLAS. Une première analyse a porté sur la recherche de processus supersymétriques sur les données enregistrées en 2015 et en 2016 avec 36.1 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Des signaux de production de quarks top de même signe ont été implémentés en se basant sur des processus supersymétriques violant la R-parité, et des régions de signal associées à ces processus ont été optimisées. Une deuxième analyse a porté sur la recherche de processus non-supersymétriques, dits exotiques, dans les données enregistrées en 2015 avec 3.2 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Cette analyse a surtout été motivée par les résultats obtenus à 8 TeV, dans lesquels un modeste excès de nombre d’évènements par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été observé dans deux régions de signal. Une partie des études relatives à cette analyse a été dédiée au développement et à la validation des méthodes d’estimation des différentes sources de bruit de fond.Aucune déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard n’a été observée dans chacune des régions de signal considérées dans les deux analyses. L’excès qui avait été observé dans les résultats obtenus à 8 TeV n’est donc pas confirmé. Des limites d’exclusion sur les modèles de nouvelle physique ont de plus été extraites à partir des résultats obtenus, en particulier sur les modèles de supersymétrie à R-parité violée utilisés pour produire les processus de production de quarks top de même signe. / The Standard Model, which describes the particle interactions at quantum level, is an imperfect theory. It has several theoretical problems and is unable to explain astrophysical observations like the dark matter and the baryonic asymmetry of the universe. Several beyond-standard models have been proposed to solve some of these issues, and predict new-physics phenomena at high energy. The aim of this thesis is to search for these phenomena in proton-proton collisions produced by the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV. Part of the studies presented in this thesis was dedicated to the search for production of same-sign top quarks based on R-parity violating supersymmetric models. These processes lead to a signature of same-sign leptons and b-jets, which have the advantage to be lowly contaminated by the Standard Model background.The studies presented in this thesis focused on two analyses, both searching for new-physics phenomena of different nature in same-sign leptons events in data recorded by the ATLAS detector. A first analysis focused on supersymmetric processes with data recorded in 2015 and in 2016 with 36.1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. Same-sign top quarks signals were implemented using R-parity violating supersymmetric processes, and signal regions associated to these processes were optimized. A second analysis focused on exotic (non-supersymmetric) processes with data recorded in 2015 with 3.2 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. This analysis was motivated by a modest excess seen in two signal regions in the 8 TeV results. Several studies were focused on the development and the validation of background estimation methods.No deviations from the Standard Model predictions were observed the signal regions considered in both analyses. The 8 TeV excess is therefore not confirmed with the most recent data. Exclusion limits on new-physics models were extracted, in particular for the R-parity violating supersymmetric models that were used to produce the same-sign top quarks processes.

Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire le comportement des particules et leurs interactions. L’une d’elles, le quark top, est la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété lui confère un rôle privilégié dans les théories dites de Nouvelle Physique, il pourrait se coupler préférentiellement aux nouvelles particules prédites par ces modèles.Cette thèse a été menée auprès du détecteur ATLAS installé au LHC. La première partie de ce travail a porté sur l’étalonnage du calorimètre hadronique, une partie du détecteur servant entre autres à mesurer l’énergie des hadrons produits lors des collisions. Ce calorimètre est étalonné grâce à un système laser, qui envoie des pulses de lumière dans les 9852 canaux du calorimètre. Cette étude a permis de corriger les canaux dont le gain dérive en appliquant des facteurs correctifs aux données. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la recherche d’évènements à deux quarks top de même charge. La topologie avec deux leptons de même charge permet d’avoir une signature claire et présente peu de bruits de fond prédits par le Modèle Standard. Deux versions de l’analyse sont présentées : l’une avec une partie des données enregistrées par ATLAS en 2012, la deuxième plus optimisée avec le lot complet de données de 2012. Ces optimisations ont améliorées d’un facteur 3 la sensibilité sur le signal. N’ayant pas observé d’excès dans les données, une limite sur la section efficace de production d’évènements à deux quarks top de même charge a été calculée dans le cadre de deux modèles effectifs. / The Standard Model of particle physics is used to describe the behavior of the particles and their interactions. One of them, the top quark, is the heaviest elementary particle. This property gives it a favored role in the New Physics theories, it could interact preferentially with new particles predicted by these models.This thesis was performed using the ATLAS detector at LHC. The first part of this work was on the calibration of the ATLAS hadronic calorimeter, part of the detector which is used to measure the energy of the hadrons produced during the collisions. The hadronic calorimeter is calibrated with a laser system, which sends pulses to the 9852 calorimeter’s channels. With this study, drifting channels were corrected by applying correction factors on the data.The second part of this thesis was dedicated to the search of events with two same-sign top quarks. The topology with a same-sign dilepton pair is used to have a clear signature and show only a few Standard Model backgroud processes. Two versions of this analysis are discussed : one of them with a part of the data collected in 2012 and the other one, with a lot of optimizations and with the complete dataset of 2012. These optimizations permits to improve the sensitivity of the signal by a factor 3. Without any excess observed in the data events, it is possible to calculate a limit on the cross section of the same-sign top quarks pair and interpreted in the case of two effective models.