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

L’étude du processus Drell-Yan, ou la production dans des collisions entre hadrons à haute énergie d’une paire de leptons par l’intermédiaire d’un boson Z ou ɣ virtuel, est un moyen privilégié pour comprendre les mécanismes de production de particules massives comme le boson de Higgs. Dans cette thèse, les données collectées en 2016 par l’expérience CMS dans les collisions proton-proton à une énergie de 13 TeV dans le système du centre de masse, correspondant à une luminosité intégrée de 36,3 fb⁻¹, sont utilisées pour réaliser une mesure de précision de section efficaces du processus Drell-Yan différentielles en l’impulsion transverse de la paire de leptons, pour des masses invariantes de la paire allant de 50 à 1000 GeV.La mesure utilise les canaux comprenant deux électrons ou deux muons, qui ont l’avantage d’être aisément identifiables expérimentalement et, ainsi, de permettre des mesures précises de sections efficaces. Au total, environ dix millions d’événements comprenant deux électrons et vingt millions d’événements comprenant deux muons sont analysés. L’extension de l’analyse précédente de la collaboration CMS, limitée en masse invariante à l’intervalle entre 76 et 106 GeV, requiert un meilleur contrôle des bruits de fond, plus importants en-dessous de 76 et au-dessus de 106 GeV que dans l’intervalle précédemment considéré. La contribution dominante, la production d’une paire de quarks top se désintégrant en leptons, est étudiée en détail, ainsi que la contamination des données par des électrons mal identifiés. Après prise en compte de l’efficacité de détection, les résultats obtenus dans les deux canaux sont compatibles et sont combinés en une unique mesure.La précision obtenue, de l’ordre du pourcent, dans des régions jusqu’ici peu explorées permet d’obtenir de nouvelles contraintes sur des modèles largement utilisés en physique des particules. À cette fin, la mesure est comparée à six prédictions illustrant différentes approches pour la prédiction du spectre en impulsion transverse. Malgré d’assez bonnes performances générales, aucune d’entre elles ne permet une description complète des données après prise en compute des incertitudes théoriques et expérimentales. C’est en particulier le cas à grande masse invariante ou lorsqu’un jet est identifié dans l’état final. Certaines approches encore peu répandues obtiennent de meilleurs résultats dans les régions qu’elles visent spécifiquement. De nouveaux développements théoriques seront nécessaires pour combiner celles-ci afin d’obtenir des prédictions fiables dans l’ensemble de l’espace des phases. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In preparation for the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) at CERN, the Compact Muon Solenoid (CMS) Detector is undergoing a series of upgrades to its existing infrastructure, and is adding in several completely new subdetector systems. The first of these new systems, called GE1/1, is a series of 144 gas electron multiplier (GEM) detectors, arranged as 36 two-detector "superchambers" in each of the muon endcaps of CMS. These detectors are a subtype of micropattern gas detectors, and consist of three layers of "GEM foils", thin sheets of polyimide coated with 5 um of copper on each side and chemically etched with holes of 50 - 70 um diameter at a pitch of 140 um. These layers are stacked on top of a printed circuit board (PCB) readout and sealed within a gastight volume that is filled with Ar:CO2 70:30, and a high voltage is applied to the foils to create electric fields within the GEM detectors. When a muon enters the detector and ionizes the gas within, the ionized electrons encounter these fields and multiply in Townsend avalanches at each successive foil layer, until they are read out at the readout PCB at a gain of ~10^4. In early 2017, a demonstrator system known as the "slice test" was installed into the negative endcap. Consisting of 10 GEM detectors, the two-year-long slice test served as both a proof of concept for the GE1/1 system and an invaluable learning experience that would permanently impact not only the GE1/1 project, but future GEM systems GE2/1 and ME0 as well. During the slice test, it was observed that readout channels were being lost in the course of operation to such a degree that the operational lifetime of the system was in serious jeopardy. These losses were attributed to damage to the front-end readout ASIC (VFAT) inputs, caused propagating electrical discharges within the detectors, and a dedicated campaign to study the discharges was launched. The results of this study will be presented in this dissertation. A campaign to mitigate these discharges and their resulting damage was launched. In order to protect the sensitive VFAT from damage, several external protection circuits were proposed and thoroughly tested. The results of these tests, which are presented herein, determined that a series of resistors totaling 470 Ohms would be installed on the VFAT hybrid. When coupled with an additional 200 kOhm resistor on the HV filter, this reduced the probability of damage following a discharge from 93% to 3% As GE2/1 and ME0 are not due to be installed for another few years, more complex discharge-prevention measures can be put into place. As such, the following measures have been examined, and results will be discussed herein: A new, larger VFAT hybrid is being manufactured, whose larger surface area can accommodate more robust protection circuits than those considered and used for GE1/1. As well, double-segmented GEM foils, in which both the top and bottom of each foil is segmented into < 100 cm^2 sectors that are separated by resistors, were examined for use in the detectors. These double-segmented foils were found to introduce a cross-talk signal in the detectors that results in false signals being treated as true signals, which causes a saturation of the GEM bandwidth and results in unwanted dead time. These cross-talk signals, as well as the compromises made to reduce the cross-talk while maintaining robust discharge prevention, will be discussed. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente deux analyses réalisées avec des évènements où un photon est produit en association avec un jet obtenus avec l'expérience CMS au LHC. Le première analyse présente l'extraction de la calibration de l'échelle en énergie des jets en utilisant la balance en impulsion présente dans ce type d'évènements, la seconde analyse présente la mesure de la section efficace différentielle de production d'évènement ou un photon est émis en association avec un jet de saveur lourde dans les collisions proton proton du LHC / This PhD thesis presents two analysis using photon + jet events with the CMS experiment at the LHC. The first analysis presents the extraction of the jet energy calibration using the momentum balance between the jet and the photon in such events, the second analysis presents the photon + heavy flavored jet differential production cross section with proton proton collision at LHC

The Standard Model of particle physics is the framework that describes all known phenomenaand interactions between elementary particles. It has proven to give outstanding results overthe years and was succesfully completed with the discovery of the Brout-Englert-Higgs boson in2012 by the ATLAS and CMS collaborations at CERN. However, several observations escape itsreach: the matter-antimatter asymmetry, the nature of Dark Matter or the quantization of theelectric charge. These are all examples of measured facts not explained by the Standard Modelformalism and that call for an extension to a Beyond the Standard Model (BSM) theory. In thisthesis, we have looked for evidence of new physics using proton-proton collision data producedby CERN’s Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV. Collected from2016 to 2018 by the CMS detector, it corresponds to an integrated luminosity of 136/fb .Afteran introduction to the theoretical context and the experimental tools, two analyses are presented.The first one is a search for Dark Matter particles recoiling against a jet and leaving the detectorunnoticed. With this ”monojet” analysis, we are able to exclude mediator masses up to 1.8TeV, and masses of Dark Matter particles up to 700 GeV. The second analysis is a search forfractionally charged particles. Using the fact that their stopping power is lower than StandardModel particles, we are able to exclude their existence up to masses of 765 GeV for a charge of2/3 e. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

Depuis les années 1930, on sait que le noyau des atomes est composé de deux types de particules: les protons et les neutrons. Ces deux particules sont très similaires: d'une part le neutron est subtilement plus lourd (un pour mille) que le proton et d'autre part le proton porte une charge électrique positive tandis que le neutron est neutre. La petite différence de masse entre le neutron et le proton fourni l'énergie suffisante pour autoriser désintégration où un neutron se désintègre en un proton en émettant un électron et un anti-neutrino électronique. Aussi, le fait que le proton ne se désintègre pas assure la stabilité de l'atome d'hydrogène. De plus, on sait empiriquement que les paramètres de la désintégration déterminent la composition des noyaux d'atomes stables plus lourds que l'hydrogène. Il est donc raisonnable de penser que si la différence de masse entre le neutron et le proton était de signe opposé ou seulement légèrement différente, l'Univers visible serait surement très différent de celui que l'on connait. Il est donc essentiel de comprendre l'origine de cette différence de masse à partir des principes premiers de la physique. C'est à ce problème, et à des problèmes liés à celui-ci, qu'essaye de répondre ce travail. Dans la compréhension actuelle de la physique, les neutrons et les protons sont des particules composées de particules élémentaires appelées quark up (symbole u) et quark down (symbole d). Le proton est un état lié uud et le neutron est un état lié udd. Les quarks up et down sont deux particules similaires: elles sont toutes deux légères (de l'ordre de quelques MeV) et leurs charges électriques sont différentes. / .

Les détecteurs NEMO-3 et SuperNEMO ont été conçus pour la recherche de décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Ces détecteurs fournissent une approche unique dans la recherche des événements double bêta en combinant des mesures à la fois de trajectoires, de temps de vol et d'énergie. De plus, grâce à la séparation de la source double bêta du reste du système de détection, les détecteurs NEMO ont la possibilité d'étudier plusieurs isotopes double bêta avec une forte réjection du bruit de fond.Cette thèse présente plusieurs études réalisées dans le cadre de l'optimisation et la préparation du détecteur SuperNEMO, successeur de NEMO-3. La première concerne l'optimisation des performances du détecteur en fonction de la configuration mécanique de ses feuilles sources. La conclusion de cette étude est que les deux configurations considérées sont équivalentes. La seconde étude s'intéresse à l'un des principaux bruits de fond que constitue le radon dans la recherche des désintégrations double bêta. Cette étude a été concrétisée par le développement et l'implémentation d'un algorithme permettant l'identification et la mesure des événements provenant de ce bruit de fond. Le deuxième volet de cette thèse rapporte l'analyse des données de NEMO-3 pour rechercher les décroissances double bêta avec et sans émission de neutrino du Cd-116 vers les états excités du Sn-116. Ces décroissances n'ont jamais été observées à ce jour, et les limites obtenus sur les états excités (2+) et (0+) sont les premières utilisant le détecteur NEMO-3. / The NEMO-3 and SuperNEMO detectors have been designed to search for neutrinoless double beta decays. These detectors provide a unique approach combining a calorimetric and a tracking measurement of double beta events emitted by a separated isotopic source. This approach allows to search for neutrinoless double beta decays among several isotopes with good background rejection. This thesis presents many studies performed for the optimisation and the preparation of the SuperNEMO detector, successor of NEMO-3. The first study concerns the optimisation of the detector performances with respect to the design of the source foil. The conclusion of this study is that the two configurations considered are equivalent. The second study focuses on the radon which constitutes one of the main background to the search for double beta decays. In this study an algorithm has been developed and implemented to search for the alpha particle allowing the identification and the measurement of the radon events. The thesis is completed by an analysis of the NEMO-3 data to search for the double beta decay of Cd-116 via the excited state of Sn-116. These decays have never been observed up to date and the limits set on the excited states (2+) and (0+) are the first using the NEMO-3 detector.

This thesis describes searches for new heavy resonances that decay into dielectron final state and searches for new physics in the top quark sector. The standard model of elementary particle is introduced in the first chapter. After that, a selection of theories beyond the standard model that predict the existence of new massive resonances are described together with an introduction to the effective field theory that is used to search for new physics in top quark sector. Then, the Large Hadron Collider (LHC) and the Compact Muon Solenoid (CMS) detector are introduced, and the techniques used in order to reconstruct the particles produced in the collisions are discussed afterwards. Finally, two separate analyses are presented.The first analysis is searching for new heavy resonances using dielectron final state. As some beyond Standard Model theories predict the existence of new heavy resonances that can decay into dielectron pair, such as the grand unified theories and theories that introduce extra space-like dimensions. An observation of a local “bump” in the dielectron invariant mass spectrum will be an evidence for the existence of a new heavy resonance. The data used is from CMS experiment collected in 2016 with 35.9 fb-1 and in 2017 with 41.4 fb-1. The event selection is optimized in order to be highly efficiency for high energy electron and avoid loosing potential signal events. The leading background is the Drell-Yan process and it is estimated from simulation. The sub-leading background is from ttbar and ttbar-like processes and it is estimated from simulation also. A data-driven method is used to validate the simulation of sub-leading background. The last background from quantum chromodynamics processes is determined by data-driven approach. After having inspected the final dielectron invariant mass spectrum, no significant excess over the standard model background is observed, and upper limit at 95% confidence level is set on the ratio of production cross-section times branching ratio of a new resonance to the one at the Z boson peak.The second analysis is the search for new physics in the top quark sector with dielectron and dimuon final states using data collected by the CMS experiment in 2016 with 35.9 fb-1. Because of its high mass and close to electroweak symmetry breaking scale, the top quark is expected to play an important role in several new physics scenarios. The new physics in top quark pair production and in single top quark production in association with a W boson are investigated and a dedicated multivariate analysis is used to separate these two processes. No significant deviation from the standard model expectation is observed. Results are interpreted in the framework of an effective field theory and constraints on the relevant effective couplings are set at 95% confidence level. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La thèse est consacrée à l’étude de la diffraction en utilisant le détecteur ATLAS auprès du LHC. Après Une courte introduction à la physique diffractive incluant la diffraction « dure » et « molle », nous présentons la production diffractive exclusive qui est particulièrement intéressante pour produire des jets et le boson de Higgs. Le mécanisme décrit par le formalisme de Khoze Martin et Ryskin et celui de CHIDe sont décrits en détail. Les sources d’incertitude dans la description théorique sont encore importantes et une nouvelle mesure de la section efficace de production exclusive de jets au LHC permettra de réduire l’incertitude de la production diffractive de boson de Higgs à un facteur 2 à trois. La mesure de la production exclusive de pions pp ! p_+_−p permet de contraindre les modèles de manière plus précise en utilisant les détecteurs ALFA, qui sont utilisés dans l’expérience ATLAS pour la détection de protons diffusés dans les interactions élastiques et diffractives. Les détecteurs AFP décrits dans la dernière partie de la thèse, mesurant les protons dispersés après interaction diffractive sont présentés. Ils permettent d’étendre le programme de physique d’ATLAS, avec en particulier, la production centrale diffractive de boson W, ce qui rend possible une meilleure compréhension de la nature des échanges diffractifs. / The thesis is devoted to the study of diffractive physics with the ATLAS detector at the LHC. After a short introduction to diffractive physics including soft and hard diffraction, we discuss diffractive exclusive production at the LHC whichis particularly interesting for Higgs and jet production. The QCD mechanism described by the Khoze Martin Ryskin and the CHIDe models are elucidated in detail. The uncertainties on these models are still large and a new possible exclusive jetmeasurement at the LHC will allow to reduce the uncertainty on diffarctive Higgs boson production to a factor 2 to 3. An additional measurement of exclusive pion production pp ! p_+_−p allows to constrain further exclusive model relying on theuse of the ALFA stations, which are used in the ATLAS Experiment for detection of protons scattered in elastic and diffractive interactions. In the last part of the thesis, the AFP detectors, aiming at measuring the protons scattered in diffractive interactions, are presented. They allow to extend substantially the ATLAS physics programme. In particular, the study of the central diffractive W boson production process makes possible a better determination of the nature of diffractive exchanges.