Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p.156-161.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 106 réf. bibliogr.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

L'étude présentée dans cette thèse est dédiée à l'analyse des désintégrations radiatives de mésons beaux, processus faisant intervenir le quark b ce dernier se désintégrant par interaction faible en un quark s avec émission d'un photon. Ce type de désintégration est interdit à l'arbre en théorie quantique des champs et doit donc s'opérer à l'aide de boucles. Ces désintégrations ont des rapports d'embranchement très faibles, de l'ordre de 10^{-5}. Dès lors, l’étude de ces processus à l'aide du détecteur LHCb permet de mesurer précisément des observables reliées à ces processus, telles que les rapports d'embranchement, les asymétries de CP ou des variables angulaires et d'hélicité comme la polarisation du photon. En comparant ces résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques du Modèle Standard de la Physique des Particules, il devient possible de tester ce modèle et de contraindre l'existence d'une nouvelle physique au delà du Modèle Standard. L'analyse présentée dans cette thèse se concentre sur l'étude des désintégrations B0 -> K*0 gamma, Bs0 -> phi gamma et Bs0 -> K*0 gamma. Les événements utilisés sont ceux où le photon s'est converti en une paire électron-positron par interaction avec le détecteur afin de bénéficier de la bonne résolution sur l'impulsion des traces chargées des trajectographes de LHCb. Les mesures du rapport des rapports d'embranchement des désintégrations B0 -> K*0 gamma et Bs0 -> phi gamma ainsi que de l'asymétrie de CP directe dans le processus B0 -> K*0 gamma sont réalisées. La bonne résolution obtenue sur la masse du méson B0 a permis de déterminer une première limite supérieure au rapport d'embranchement de la désintégration supprimée de Cabbibo Bs0 -> K*0 gamma. / The purpose of the work presented in this thesis is to study the radiative decays of B mesons. These processes correspond to the decay of a b-quark into a s-quark through the weak interaction with a photon in the final state. This kind of decay is not allowed at tree level in the quantum field theory but only through virtual loops. These processes have small branching fractions of the order of 10^{-5}. The study of these decays with the LHCb detector provides precise measurements of related observable such as branching fractions, CP asymmetries or angular variables such as the photon polarisation. These results can be compared with the theoretical prediction of the Standard Model of Particle Physics. Therefore, it is possible to test this model and to constrain the existence of new physics behind the Standard Model. The analysis presented in this thesis focuses on the B0 → K*0 gamma, Bs0 → phi gamma and Bs0 → K*0 gamma decays. Only events where the photon has converted into a dielectron pair by interacting with the detector are used. This allows to take advantage of the good resolution on the charged tracks momentum obtained with the LHCb's tracking system. The measurements of the ratio of branching fractions of the B0 → K*0 gamma and Bs0 → phi gamma decays and of the direct CP asymmetry in the B0 → K*0 gamma process are performed. The good resolution obtained on the B meson mass allows to set the first upper limit on the branching ratio of the Cabbibo suppressed Bs0 → K*0 gamma decay.

Cette thèse présente la recherche d'un boson de Higgs chargé (H+) qui serait produit dans les collisions proton-proton à des énergies de 7 TeV$ et 8 TeV, en utilisant les données recueillies par l'expérience ATLAS au LHC (Large Hadron Collider). Plusieurs canaux de recherche sont utilisés, présentant la caractéristique commune de contenir au moins un lepton chargé (électron ou muon) énergétique, ce qui réduit efficacement le bruit de fond contenant des jets, tout en permettant un déclenchement efficace du détecteur.Ici le boson de Higgs chargé se désintègre en un lepton tau et un neutrino, ce qui conduit à des états finaux avec deux leptons chargés, ou bien un lepton chargé et un tau hadronique. Une source importante de taus mal identifiés provient de quarks et de gluons, par l'intermédiaire des jets hadroniques qu'ils initient. Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer ce bruit de fond, l'une d'elles étant basée directement sur les données. Des processus avec des bosons de Higgs chargés dont la masse est soit en dessous soit au-dessus de celle du quark top sont considérés. Avec l'ensemble de données recueillies à une énergie de 8 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 20,3/fb, des limites avec un taux de confiance de 95% sont placées sur le rapport de branchement Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) entre 1,1 et 0,3% pour des masses du boson de Higgs chargé entre 80 GeV et 160 GeV, et sur la section efficace de production du boson de Higgs chargé en association avec un quark top entre 0,53 et 0,04 pb, pour un boson de Higgs chargé ayant cette fois une masse comprise entre 180 GeV et 1 TeV. / This thesis presents searches for a charged Higgs boson (H+) in proton-proton collisions with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, using data collected by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Multiple search channels are used with a common characteristic of at least one charged lepton (electron or muon) that effectively reduces the multi-jet background and is used for efficient triggering.Charged Higgs bosons decaying to a tau lepton and a neutrino are searched for using final states with two charged leptons or one charged lepton and a hadronically decaying tau. A significant background originates from quark- and gluon-initiated jets that may be misidentified as hadronic tau decays. Methods to estimate this background are developed, including a largely data-driven matrix method. Signal processes with a charged Higgs boson mass below or above that of the top quark are considered. With the dataset collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3/fb, upper limits at 95% confidence level are placed on the branching fraction Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) in the range 1.1-0.3% for charged Higgs boson masses between 80 GeV and 160 GeV, and on the top-quark associated charged Higgs boson production cross section in the range 0.53-0.04 pb for charged Higgs boson masses between 180 GeV and 1 TeV.

La première partie de mon travail porte sur le développement d'un algorithme utilisant les données enregistrées par CMS afin de détecter la présence de déformations particulières susceptibles d'affecter le trajectographe de CMS. La méthode s’appuie sur le biais que ces déformations induisent dans la mesure de l'impulsion des électrons. Sa fiabilité a été prouvée par simulation Monte-Carlo. Elle a été utilisée pour la validation des données 2012. La seconde partie de mon travail consiste en une analyse statistique des données de collisions prises par le détecteur CMS en 2012, afin de mettre en évidence la présence de particules neutres et à long temps de vie se désintégrant en un électron et un muon. L'observation d'un tel processus constituerait une preuve de l'existence de nouvelle physique. En l'absence d'observation statistiquement significative, une méthode Bayesienne est utilisée pour interpréter ce résultat en terme de contraintes sur un modèle supersymétrique (MSSM). / The first part of my work concerns the development of an algorithm using CMS data to automatically detect the presence of particular deformations than can occur in the CMS tracker. The method takes advantage of the bias that such deformations induce in the measurement of electron impulsion. The reliability of the method has been proved using Monte-Carlo simulation. The algorithm was then used to certify that none of the considered deformations affected the data recorded in 2012.The second part of my work consists of a statistical analysis of the data recorded by CMS, in order to look for evidence of the presence of exotic long-lived particles. The latter could manifest themselves through their decay to an electron and a muon. Such an observation would provide a strong clue of the existence of new physics. In the absence of any observation statistically significant, a Bayesian method is used to interpret this result in term of constraints on a supersymmetric model (MSSM).

En présence de rotation toroïdale, une amélioration de la stabilité et des performances du plasma ont été observées. Or les sources extérieures de moment angulaire seront très limitées pour les futurs tokamaks, et notamment pour ITER. Par conséquent, il apparait capital d'investiguer les différents mécanismes de génération intrinsèque de rotation toroïdale, afin de prédire les profils de rotation dans les machines à venir. D'intrigantes observations de rotation intrinsèque sont faites dans de nombreuses machines, pour des décharges plasma en présence de chauffage à la fréquence hybride basse et cyclotronique ionique. Les profils de vitesse observés sont dans la direction parallèle au courant plasma (co-courant) mais aussi dans la direction opposée au courant plasma (contre-courant). Ceci a suscité un effort important de la communauté scientifique pour la compréhension des mécanismes à l'origine des observations expérimentales. Néanmoins, à ce jour, l'ensemble des interprétations proposées n'offrent pas une vision claire des mécanismes en jeu. Le travail réalisé dans cette thèse, s'inscrit dans cette problématique et concerne plus précisément le tokamak Tore Supra, dont le chauffage dominant est assuré par les ondes radiofréquences. / Toroidal flows are found to improve the performance of the magnetic confinement devices with increase of the plasma stability and confinement. In ITER or future reactors, the torque from NBI should be less important than in present-day tokamaks. Consequently, it is of interest to study other intrinsic mechanisms that can give rise to plasma rotation in order to predict the rotation profile in experiments. Intriguing observations of plasmas rotation have been made in radio frequency (RF) heated plasmas with little or no external momentum injection. Toroidal rotation in both the direction of the plasma current (co-current) and in the opposite direction (counter-current) has been observed depending on the heating schemes and plasma performance. In Tore Supra, most observations in L-mode plasmas have been in the counter-current direction. However, in this thesis, we show that in lower hybrid current drive (LHCD), the core toroidal rotation increment is in co- or counter-current direction depending on the plasma current amplitude. At low plasma current the rotation change is in the co-current direction while at high plasma current, the change is in the counter-current direction. In both low and high plasma current cases, rotation increments are found to increase linearly with the injected LH power. Several mechanisms in competition which can induce co- or counter-current rotation in Tore Supra LHCD plasmas are investigated and typical order of magnitude are discussed in this thesis.

Malgré un succès expérimental incontestable, le Modèle standard (MS) de la physique des particules laisse de nombreuses questions fondamentales sans réponse, comme le problème de hiérarchie et l’origine de la matière noire, motivant l’étude de la « nouvelle physique ». Le Modèle Standard Supersymétrique Non-Minimal (MSSNM) est une extension très intéressante du MS répondant à ces deux problèmes. Il comprend une riche phénoménologie, en principe accessible au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). En particulier, son secteur de Higgs est étendu par rapport au MS, générant six scalaires. Le but de cette thèse est d’étudier le potentiel de découverte de ces bosons de Higgs supplémentaires au LHC. Après une introduction du MSSNM et de ses motivations, nous étudions d’abord les perspectives de découverte d’un scalaire, plus léger que la résonance à 125 GeV mise en évidence au CERN, en passant en revue ses possibles modes de production et de détection dans les phases à venir du LHC, et ses possibles impacts sur les couplages du boson de Higgs du MS. Ensuite, les perspectives de recherche via les cascades de Higgs, impliquant des bosons de Higgs supplémentaires légers et lourds, est présentée. Des études détaillées au moyen de méthodes Monte-Carlo ont été réalisées, et de nouvelles analyses dédiées sont présentées. Ces derniers résultats ne sont pas restreints au MSSNM, et peuvent être interprétés dans une large classe de modèles. / Despite its incontestable experimental success, the Standard Model of particle physics leaves unanswered many fundamental questions like the hierarchy problem and the origin of dark matter, motivating the study of physics beyond its scope. The NMSSM is a well-motivated extension of the SM addressing these two issues. It features a rich phenomenology accessible, in principle, at the LHC. In particular, the Higgs sector of the NMSSM is extended with respect to the SM giving rise to six scalars. It is the aim of this thesis to study the discovery potential of these extra Higgs bosons at the LHC. After introducing the NMSSM and its motivation, we first study the discovery prospects for a scalar lighter than the 125 GeV resonance found at CERN, reviewing its possible production and detection at the upcoming runs of the LHC and its possible impact on couplings of the Standard Model Higgs boson. Next, prospects for searches via Higgs cascades involving extra light and heavy Higgs bosons are presented. Detailed studies by means of Monte Carlo methods are performed, and new dedicated analysis are proposed. These last results are not confined to the NMSSM and can be interpreted in a wide class of models.

Le Large Hadron Collider (LHC) fonctionne à une énergie dans le centre-de-masse de 13 TeV, atteignant ainsi des énergies bien au-dessus de l'échelle électrofaible. Pour la première fois, des particules lourdes sont produites dans le régime boosté, c'est-à-dire avec une impulsion transverse beaucoup plus grand que leur masse. Leur produits de désintégration hadronique sont collimatés et finisseent par être regroupé dans un seul jet. Dans cette situation, il n'est pas facile de discriminer le signal des particules lourdes du bruit de fond formé par des jets originés par les partons, il faut examiner la dynamique interne du jet avec des techniques de sous-structure des jets. Les outils de la sous-structure de jet sont divisés en trois catégories : « Jet shapes » qui contraient la radiation des gluons mous dans le jet ; « Taggers » qui cherchent plusieurs cœurs d'énergie dans le jet, une situation plus courant dans les jets de signaux que dans les jets QCD ; et les « Groomers » qui éliminent la radiation molle et à grand angle dans le jet, souvent dominés par l'événement sous-jacent.Dans cette thèse, on propose une approche analytique qui nous permet de comprendre les sources des différences de performance entre les méthodes. On utilise des techniques de resommation à tous les ordres en théorie des perturbations, pertinentes pour les régimes bostés où l'échelle de masse et de l'impulsion transverse sont largement séparées. On motive le besoin de resommation et on introduit les éléments de base qui sont utilisés tout au long de la thèse. Cette thèse se concentre sur les jets à deux cœurs, comment les bosons W/Z/H.Premièrement, on explore comment un tagger spécifique, le Y-splitter, peut être combiné avec une variété de techniques de grooming : le MassDrop Tagger (mMDT), trimming et SoftDrop. Selon des études Monte Carlo, cette combinaison augmente la performance du Y-splitter. On explique l’origine de se comportement par des calculs théoriques et étudie l'impact des effets non-perturbatives. On présente également des variantes améliorées de la méthode Y-Splitter originale.Ensuite, on étudie l'utilisation des jet shapes comment une variable discriminante entre les désintégrations hadroniques à deux cœurs des bosons électrofaibles et le bruit de fond des jets QCD. On calcule analytiquement la distribution de masse avec une coupure sur la variable jet shape. On considère 3 shapes couramment utilisées : N-subjettiness, « Energy Correlation functions » et le paramètre MassDrop. Nos résultats expliquent la différence entre les performances des différentes méthodes. On compare également nos résultats aux générateurs de Monte Carlo et on étudie l'impact des effets non-perturbatifs.Notre étude suivant examine la combinaison des techniques de grooming/tagging avec des jet shapes, en particulier le N-subjettiness. On propose le rapport dichroïque de N-subjettiness, où on utilise un gros jet (avec ou sans pre-grooming) pour calculer tau ₂ et un jet plus petit, avec tagging pour tau₁. Cette version donne une performance améliorée par rapport aux versions utilisées actuellement par les expériences, tout en maintenant les effets non-perturbatifs sous contrôle.Enfin, on effectue une étude phénoménologique de la distribution de masse des jets avec mMDT. Ceci est actuellement mesurée par des expériences au LHC. Nos prédictions théoriques prennent en compte les logarithmes dominants du rapport de la masse de jet sur l'impulsion transverse et on fait le « matching » avec les éléments de matrice à ordre fixe calculés au NLO. On discute deux options possibles, selon que les distributions sont mesurées dans des bins de l'impulsion transverse avant ou après le mMDT. / The Large Hadron Collider (LHC) is running at a center-of-mass energy of 13 TeV, thus reaching energies far above the electroweak scale. For the first time, heavy particles are produced in the boosted regime, i.e. with transverse momentum much larger than their mass. Their hadronic decay products are collimated and end up being clustered into a single jet. In this situation is not easy to discriminate the heavy particle signal from the background, formed by jets originated from QCD partons, so one has to examine the internal dynamics of the jet using jet substructure techniques. Jet substructure tools are divided in three main categories: Jet shapes, which constrain soft-gluon radiation inside jets; Taggers which look for multiple hard cores inside the jet, a situation more common in signal jets than in QCD jets; and Groomers which clean the fat jets of soft-and-large-angle radiation, often dominated by the underlying event.This thesis proposes an analytical approach which allows us to understand the sources of performance differences between methods. We will use all-order resummation techniques, relevant for the boosted regime where the mass and transverse-momentum scale are widely separated. We motivate the need for resummation and introduce the basic elements (building blocks) that are used throughout the thesis. In this thesis, we focus on two-pronged jets, like W/Z/H decays.We first study how a specific tagger, namely Y-splitter, can be combined with a variety of grooming techniques: the modified MassDrop Tagger (mMDT), trimming and SoftDrop. It is known from Monte Carlo studies that such combination increases the Y-splitter performance. We study the origin of this behaviour from a theoretical point of view and the impact of non-perturbative effects. We also introduce improved variants of the original Y-splitter method.Next, we study the use jet shapes as a discriminant variable between two-pronged hadronic decays of electroweak bosons and the QCD jets background. We compute analytically the jet mass distribution with an additional cut on the jet shape variable. We obtain results for 3 common shapes: N-subjettiness, Energy Correlation function and MassDrop parameter. Our results explain differences in discriminating power between the shapes. We also compare our results to Monte Carlo generators and study the impact of non-perturbative effects.Our next study investigates the combination of grooming/tagging techniques with jet shapes, in particular N-subjettiness. In this work, we propose the dichroic N-subjettiness ratio, where we use a large jet (with or without a pre-grooming step) for calculating tau ₂ and a smaller, tagged subjet for tau₁. This observable gives an enhanced performance compared to the variants currently used in experimental analyses, while keeping non-perturbative effects under control.Finally, we perform a phenomenological study of the jet mass distribution after applying the mMDT. This is currently being measured by LHC experiments. Our theoretical predictions account for the resummation of the leading-logarithm of the ratio of the jet mass over the jet transverse momentum and it is matched to fixed-order matrix elements computed at next-to-leading order. We discuss two options according to whether the distributions are measured in bins of the jet transverse momentum before or after the mMDT.

Bien que représentant plus d’un quart de la distribution en énergie de notre Univers ainsi que la majorité (84\%) de la masse de celui-ci, la nature de la matière noire n’a pas encore été percée à ce jour. Dans cette thèse, il sera supposé que la matière noire est une nouvelle particule élémentaire, stable et dont la connexion (hors interactions gravitationnelles) avec le secteur visible est réalisée grâce à une autre particule, le médiateur. Au sein de ces lignes, la matière noire sera supposée être un fermion de Dirac et le médiateur un boson (vecteur ou scalaire), ce dernier étant choisi comme étant plus léger que la matière noire. Cette thèse propose d’explorer les aspects infrarouges de la production de la matière noire dans l’Univers primordial, le potentiel de détection d’une importante classe de candidats dits \enquote{freeze-in}, caractérisés par de très faibles interactions avec le Modèle Standard, auprès des expériences de détection directe et l’effet des auto-interactions de la matière noire sur son comportement superfluide dans les régions de haute densité de matière noire (halos, capture par des astres compacts) asymétrique. Sous ces hypothèses, premièrement, une étude exhaustive des différents mécanismes de production de la matière noire est réalisée, illustrée dans un modèle où le médiateur est un photon du secteur caché, issu d’un nouveau groupe de jauge U(1)’, qui mélange de façon cinématique avec le photon du Modèle Standard. En particulier, de nouveaux canaux de production sont mis en avant, nommément \textit{freeze-in from mediator} et \textit{sequential freeze-in}. Ceux-ci correspondent à des scénarios où la matière noire est très faiblement couplée au Modèle Standard, n’atteint jamais l’équilibre avec celui-ci dans l’Univers primordial et est produit petit à petit par des annihilations de médiateurs (en équilibre ou non avec le Modèle Standard). Il est ensuite montré que pour l’important et très attractif cas d’une matière noire milli-chargée (ainsi que pour des scénarios où le médiateur n’est pas plus massif que 40 méga-electronvolt), l’expérience de détection indirect Xenon1T contraint aujourd’hui l’espace des paramètres de la phase de freeze-in de ces modèles, et est, dans cette région de l’espace des paramètres, la contrainte la plus importante. Une réinterprétation des limites sur les interactions indépendantes du spin matière noire – nucléon est par ailleurs nécessaire, détaillée et validée. Dans la seconde partie de la thèse, l’effet des auto-interactions dans les scénarios de matière noire asymétrique est exploré. Sous l’hypothèse qu’un halo (galactique ou non) de matière noire atteint l’équilibre thermodynamique à très basse température (comparée à sa masse) et développe donc un potentiel chimique fini, des interactions matière noire – matière noire au voisinage de la surface de Fermi peut entraîner la formation de condensats, de transitions de phase du milieu et dès lors modifier drastiquement l’équation d’état du halo. Un système d’équations auto-consistant pour les condensats est présenté et résolu numériquement. Ensuite, la thermodynamique du système de gaz interagissant est explorée. Finalement, les interactions gravitationnelles sont considérées et les configurations auto-gravitantes, prenant en compte l’ensemble des auto-interactions, sont déterminées et leurs aspects phénoménologiques sont explorés.Even though dark matter represents more than a quarter of the energy budget of our Universe and the majority (84\%) of its mass, the nature of dark matter has not yet been unravelled. In this thesis, it will be assumed that dark matter is a new elementary particle, stable and whose connection (on top of gravitational interactions) with the visible sector is realized through another particle, the mediator. In this thesis, dark matter will be assumed to be a Dirac fermion and the mediator will be a boson (either vector or scalar). This thesis proposes to explore infrared aspects of the production of dark matter in the primeval Universe, aspects of detection of the important class of feebly coupled \enquote{freeze-in} candidates at direct detection experiments and aspects of condensed matter physics such as superfluidity in region of high dark matter density (halos or inside compact objects such as neutron stars). Under these hypothesis, we will first detail an exhaustive study of the possible thermal mechanism of dark matter production, illustrated in a model where the mediator is a dark photon, arising from a new $U\left(1\right)'$ gauge group, which kinematically mixes with the Standard Model photon. In particular, new production channels are put forward, namely the \textit{freeze-in from mediator} and \textit{sequential freeze-in}. They correspond to scenarios where dark matter is very feebly coupled to the Standard Model, do not reach equilibrium with the visible sector thermal bath in the Early Universe and are slowly produced by mediator annihilations (in-equilibrium or not with the Standard Model). It is then showed that for the popular case of a millicharged dark matter ( and for scenarios in which the mediator mass is not bigger than $40$ mega electronvolt), the direct detection experiment XENON1T constrains today the freeze-in parameter space of such models and is the strongest constraint overall for such candidates. A recast of the bounds on spin-independent dark matter$-$nucleon interactions was needed and we validate our procedure against other recast. In the second part of this thesis, the effects of self-interactions in asymmetric dark mater scenarios are explored. Under the hypothesis that a dark matter halo reaches thermodynamic equilibrium at very low temperature (compared to its mass) and develops a finite chemical potential, dark matter$-$ dark matter interactions at the vicinity of the Fermi surface can lead to the formation of condensates, to phase transitions and therefore modify drastically the equation of state of the halo. A self-consistant set of equations for the condensates is presented and solved numerically. The thermodynamics of the interacting dark matter cloud is also explored. Finally, gravitational interactions are considered and self-gravitating configurations of halos, taking into account self-interactions, are determined and their phenomenological aspects is explored. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished