Although about a century has passed since its discovery, and despite the scientific and technological progress of our society has gone through, the nature of the Dark Matter (DM) is a mystery not yet solved. It is a big challenge for the scientific community, its identification would mean the understanding of what seemingly makes up 84% of the matter content in the Universe. We say “seemingly” because so far all evidences for DM are purely gravitational. This implies that what we call dark matter could be either a manifestation of our incomplete understanding of gravity on large scales, or a new form of matter, in particular a new kind of elementary particle. Among the plethora of possible DM candidates, this work will consider the Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). Up to know the observed value for the relic abundance is the only solid parameter which we can count on, and the WIMP is the candidate that, through a fashionable mechanism of production, gives a result for the relic abundance in agreement with the cosmological observations. In order to demonstrate that this is indeed the valid explanation to the DM problem, a non-gravitational signal and also a model to interpret a possible Dark Matter message are needed. This may be expressed in various ways, and our approach is based on so-called simplified model. We have built a new t-channel simplified model which promotes a real scalar particle as DM and a vector-like fermion as mediator, dubbed the Vector-like Portal. In our framework, there are very few free parameters, the DM mass, the mass of the mediator and at least one Yukawa coupling. We have discovered an intriguing feature in the annihilation cross-section, a d-wave suppression in the limit of light final state fermions (compared to the DM mass). This seemingly innocuous observation will turn out to be crucial both for thermal freeze-out and for indirect searches for DM, for which higher order effects become relevant. In particular, we have performed a comprehensive analysis of the impact of next-to-leading order corrections to the annihilation cross-section, including coannihilation, as well as on elastic scattering processes. We have exploited the complementarity of direct, indirect and collider searches to set constraints on the parameter space of some simple vector-like portal scenarios, including coupling to Standard Model leptons, light quarks and the top quark. In addition, we have studied the phenomenological consequences of electroweak corrections and the detectability ofour candidate. / Bien que presque un siècle ait passé depuis sa découverte, et malgré les progrès scientifiques et technologiques de notre société, la nature de la matière noire (MN) est un mystère irrésolu. C’est un grand challenge pour la communauté scientique, car sa découverte signifierait la compréhension de ce qui semble constituer 80 % du contenu en matière de l’univers. Nous disons “semble” car jusqu’à présent toutes les évidences de MN sont purement gravitationnelles. Cela implique que ce que nous appelons matière noire pourrait être soit une manifestation de notre compréhension incomplète de la gravité à grandes échelles, soit une nouvelle forme de matière, en particulier un nouveau type de particule élémentaire. Parmi la pléthore de candidats de MN possibles, ce travail considèrera la Weakly Interactive Massive Particle (WIMP). A ce jour, la valeur observée de l’abondance relique est le seul paramètre solide sur lequel nous pouvons compter, et la WIMP est le candidat qui, par un élégant mécanisme de production, donne un résultat pour l’abondance relique en accord avec les observations cosmologiques. Pour démontrer que cela est en effet l’explication valide du problème de la MN, un signal non gravitationnel ainsi qu’un modèle pour interpréter un possible message de MN sont requis. Cela peut s’exprimer de plusieurs façons, et notre approche est basée sur les modèles dits simplifiés. Nous avons construit un nouveau modèle simplifié avec le canal t qui promeut une particule scalaire réel comme MN et un fermion de type vector-like comme médiateur, et communément appelé le portail vector-like. Dans notre cadre, il y a très peu de paramètres libres, la masse de la MN, la masse du médiateur et au moins un couplage de Yukawa. Nous avons découvert une caractéristique intrigante dans la section efficace d’annihilation, une suppression de type d-wave dans la limite de fermions légers dans l’état final (en comparaison avec la masse de la MN). Il se trouve que cette observation, qui semble anodine au premier abord, est cruciale pour le freeze-out et pour les recherches indirectes de MN, pour lesquelles les effets aux ordres supérieurs deviennent relevants. En particulier, nous avons réalisé une analyse compréhensive de l’impact des corrections après l’ordre dominant de la section efficace d’annihilation, ainsi que des processus de diffusion élastique. Nous avons exploité la complémentarité des recherches directes, indirectes et aux collisionneurs afin de contraindre l’espace des paramètres de quelques scénarios simples de portails vector-like, dont le couplage au leptons du Modèle Standard et au quark top. De plus, nous avons étudié les conséquences phénoménologiques des corrections électrofaibles, et la détectabilité de notre candidat. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente une étude du secteur scalaire dans le cadre du modèle standard (MS), ainsi que la recherche d'un secteur scalaire étendu dans des théories au-delà du MS. Ces analyses ont en commun la désintégration d'au moins un des bosons scalaires en une paire de leptons tau. Les résultats sont basés sur les données collectées par le détecteur CMS pendant le Run-1 du LHC, lors de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 ou 8 TeV. Le boson découvert en 2012, H, semble compatible avec un boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) du MS, mais ce constat se base essentiellement sur l'étude des modes de désintégration bosoniques. Le mode de désintégration H->tau tau est le canal fermionique le plus sensible, et permet de tester les couplages de Yukawa du nouveau boson. Cette thèse décrit dans un premier temps la recherche d'un boson scalaire se désintégrant en leptons tau et produit en association avec un boson vecteur. Les données du Run-1 ne sont pas sensibles aux petites sections efficaces de production prédites dans le SM, mais la combinaison avec les autres modes de production montre avec évidence l'existence de désintégrations du boson H en taus. De nombreux modèles au-delà du MS, tels que l'extension supersymétrique minimale du MS (MSSM) ou les modèles avec deux doublets scalaires (2HDM), prédisent l'existence de plusieurs boson scalaires. Quatre recherches d'un secteur scalaire étendu au-delà du MS sont présentées dans cette thèse. La première analyse recherche un pseudoscalaire avec une masse entre 220 et 350 GeV, se désintégrant en un boson scalaire similaire à celui du MS et en un boson Z, dans l'état final avec deux taus et deux leptons légers. La deuxième analyse explore la possibilité d'une désintégration exotique de la nouvelle particule en deux bosons scalaires plus légers dans l'état final avec deux muons et deux leptons tau. Dans le cadre de la troisième analyse, une région en masse quasiment inexplorée auparavant au LHC est testée par la recherche d'un pseudoscalaire avec une masse entre 25 et 80 GeV, se désintégrant en leptons tau et produit en association avec deux quarks b, dans le contexte des 2HDM. La dernière analyse recherche une résonance lourde se désintégrant en une paire de leptons tau dans le contexte du MSSM. Aucun indice de nouvelle physique n'a été trouvé dans les analyses décrites ci-dessus, mais des limites strictes sur les sections efficaces des différents signaux ont été déterminées. / This thesis presents a study of the scalar sector in the standard model (SM), as well as different searches for an extended scalar sector in theories beyond the standard model (BSM). All analyses have in common the fact that at least one scalar boson decays to a pair of tau leptons. The results exploit the data collected by the CMS detector during LHC Run-1, in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 7 or 8 TeV.The particle discovered in 2012, H, looks compatible with a SM Brout-Englert-Higgs boson, but this statement is driven by the bosonic decay modes. The H-> tau tau decay mode is the most sensitive fermionic decay channel, and allows to test the Yukawa couplings of the new particle. The search for the SM scalar boson decaying to tau leptons, and produced in association with a massive vector boson W or Z, is described in this thesis. Even though a good background rejection can be achieved by selecting the leptons originating from the vector boson, Run-1 data are not sensitive to the small production cross sections predicted in the SM for the scalar boson. The combination with the gluon-gluon fusion and vector boson fusion production searches leads to an evidence for the decay of the H boson to tau leptons.Many BSM models, such as the minimal supersymmetric SM (MSSM) or models with two scalar doublets (2HDM), predict the existence of several scalar bosons. The decays of these bosons to tau leptons can be enhanced in some scenarios depending on the model parameters, which makes the di-tau decay mode powerful to discover BSM physics. Four searches for an extended scalar sector are detailed in this thesis. The first analysis searches for a pseudoscalar boson with a mass between 220 and 350 GeV, decaying to an SM-like scalar boson and a Z boson, in the final state with two light leptons and two tau leptons. Second, a search for the exotic decay of the new particle H to a pair of light pseudoscalar bosons, which is still allowed by all measurements made up to now, in the final state with two muons and two tau leptons is performed. Third, a mass region almost never explored at the LHC is probed by the search of a light pseudoscalar, with a mass between 25 and 80 GeV, decaying to tau leptons and produced in association with b quarks. The last analysis describes the search for a heavy resonance in the MSSM, decaying to a pair of tau leptons. None of these analyses has found any hint of new physics beyond the SM, but stringent limits on the cross section of such signals could be set. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This doctoral thesis is part of the upgrade of the CMS experiment at the Large HadronCollider of CERN, the LHC. CMS, together with the ATLAS experiment, led to thediscovery of the Brout-Englert-Higgs boson in 2012. But the LHC research program isnot over yet. Indeed, the LHC is intended to operate even at least 20 more years. Duringthis period, the luminosity will grow gradually up to five times its nominal value of 10 34cm −2 s −1 initially foreseen. This increase in luminosity requires the LHC experiments,like CMS, to upgrade their detectors as well as their data acquisition system. One of thenext major CMS upgrade is the addition of a new detector layer in the forward muonspectrometer of CMS. The technology that has been chosen by the CMS collaborationfor this upgrade is the Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM) technology. Thisupgrade aims to maintain the trigger performance despite the increasing rate of particles(> 1 kHz/cm 2 ) and will also improve the reconstruction of muons tracks, thanks to aexcellent spatial resolution (∼ 250 μm). It is the study and characterization of thistechnology that is the subject of this thesis.This characterization of the Triple-GEM detectors starts with a detailed study of thetime resolution. This study has been performed using different Monte Carlo simulationslike GARFIELD, and has demonstrated that the Triple-GEM detectors equipped withthe new VFAT3 electronics (developed for this upgrade) fulfill the requirements for theCMS upgrade.Then we have studied different detector prototypes. First, we have built two small 10×10cm 2 prototypes and developed a test bench at the ULB laboratory. This test bench hasallowed us to study another important parameter of the Triple-GEM detectors: the gain.Later, we also had the opportunity to take part in the data taking and analysis of a testbeam campaign at CERN. The analysis of the data of this test beam is also presentedin detail.The last part of this work concerns the study of the spatial resolution. We have estimatedthe spatial resolution of the Triple-GEM detector equipped with a binary electronics byMonte Carlo simulations as well as analytically. This study has been extended to otherdetector technologies like the Micromegas and the silicon sensors. / Cette th`ese de doctorat s’inscrit dans le cadre de la mise `a niveau de l’exp ́erience CMSaupr`es du grand collisionneur de protons du CERN, le LHC. CMS, avec l’exp ́erienceATLAS, a permis la d ́ecouverte du boson de Brout-Englert-Higgs en 2012. Mais leprogramme de recherche du LHC n’est pas pour autant termin ́e. En effet, le LHC estdestin ́e `a fonctionner encore au moins 20 ans. Pendant cette p ́eriode, la luminosit ́e vacroˆıtre progressivement jusqu’`a atteindre environ cinq fois la valeur nominale de 10 34cm −2 s −1 initialement pr ́evue et ce d’ici 2025. Cette augmentation de luminosit ́e pousseles exp ́eriences du LHC, comme CMS, `a mettre `a jour les d ́etecteurs ainsi que leurssyst`emes d’acquisition de donn ́ees. Une des prochaines mises `a niveau majeures deCMS est l’addition d’une nouvelle couche de d ́etection dans le spectrom`etre `a muonvers l’avant. La technologie de d ́etection qui a ́et ́e choisie par la collaboration CMS estla technologie des Triple Gas Electron Multiplier (Triple-GEM). Cette mise `a niveaua pour but de maintenir les performances du syst`eme de d ́eclenchement et ce malgr ́el’augmentation de taux de particules (> 1 kHz/cm 2 ) et de permettre ́egalement, grˆacea la tr`es bonne r ́esolution spatiale des Triple-GEM (∼ 250 μm), l’am ́elioration de la re-construction des traces de muons. C’est l’ ́etude des caract ́eristiques de cette technologiequi est le sujet de cette th`ese.Cette caract ́erisation des d ́etecteurs Triple-GEM commence par une ́etude d ́etaill ́ee de lar ́esolution temporelle. Cette ́etude a ́et ́e r ́ealis ́ee `a l’aide de diff ́erentes simulations MonteCarlo telles que GARFIELD et a permis de montrer que les Triple-GEMs ́equip ́es de lanouvelle ́electronique VFAT3 (sp ́ecifiquement d ́evelop ́ee pour les Triple-GEMs) remplis-sent les conditions pour la mise `a niveau de CMS.Nous avons ensuite ́etudi ́e diff ́erents prototypes. Tout d’abord nous avons construit deuxpetits (10 × 10 cm 2 ) prototypes de Triple-GEM et d ́evelop ́e un banc de test au sein dulaboratoire de l’ULB. Ce banc de test nous a permis d’ ́etudier un autre param`etre impor-tant des d ́etecteurs Triple-GEM: le gain. Au cours de cette th`ese nous avons ́egalementparticip ́e `a la prise de donn ́ees et `a l’installation de diff ́erents tests en faisceau au CERN.L’analyse des donn ́ees du test en faisceaux d’octobre 2014 est aussi pr ́esent ́ee en d ́etail.La derni`ere partie de ce travail concerne l’ ́etude de la r ́esolution spatiale. Nous avonsestim ́e la r ́esolution spatiale par simulation de Monte Carlo ainsi que de mani`ere an-alytique pour des d ́etecteurs GEM munis d’une ́electronique binaire. Cette ́etude a ́egalement ́et ́e g ́en ́eralis ́ee `a d’autres d ́etecteurs tels que les Micromegas ou encore lescapteurs au silicium. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La radiothérapie est l'une des techniques utilisées pour le traitement des tumeurs cancéreuses. Cette technique utilise un nombre varié de rayonnements, avec des avantages et inconvénients qui dépendent des caractéristiques physiques de ces derniers. La radiothérapie utilisant des faisceaux de protons d’énergie entre 50-250 MeV, appelée communément ‘‘protonthérapie’’, est une technique innovante et très prometteuse, elle permet de traiter efficacement des tumeurs cancéreuses tout en préservant le plus possible les tissus sains environnants. Elle a le grand avantage de pouvoir concentrer la dose de traitement de manière très efficace et très précise dans le volume tumoral, avec moins de dose aux tissus sains et aux organes radiosensibles proches de la tumeur ou traversés par le faisceau d'irradiation. Ainsi, on diminue de manière significative la récidive cancéreuse en donnant une dose létale à la tumeur, et également on évite des cancers radio-induits par l'administration d’une dose acceptable aux tissus sains du patient.Cependant, lors de leur traversée dans la matière (matériaux des installations d'un centre de protonthérapie ou les tissus du patient), les protons peuvent avoir des interactions nucléaires, et des rayonnements secondaires, tels que des neutrons très énergétiques jusqu’à l’énergie maximale des protons d'irradiation peuvent être créés. Pour atténuer le flux de particules secondaires ainsi créées et pour que les doses reçues par les personnes se trouvant aux alentours de l’installation soient les plus faibles possibles et en conformité avec la réglementation en matière de radioprotection, d’importants blindages doivent être construits dans les centres de protonthérapie. Avant leur construction, ces blindages sont d’abord simulés numériquement par des méthodes Monte Carlo de simulation avec des programmes tels que MCNPX, FLUKA, PHITS, GEANT4, etc.En outre, une fois que le centre de protonthérapie est opérationnel, malgré ces blindages de protection, des mesures sont régulièrement effectuées pour estimer la dose d'ambiance, ainsi que la dose reçue par le personnel. Des dosimètres tels que des MOSFETs sont utilisés pour la dosimétrie individuelle des neutrons. En ce qui concerne la dosimétrie d'ambiance, plusieurs techniques ont été développées. On peut citer l’exemple d’un compteur proportionnel appelé  ‘‘WENDI-2’’, qui possède une bonne sensibilité aux neutrons. Dans cette thèse, nous présentons les travaux que nous avons menés pour la validation avec des simulations Monte Carlo de GEANT4 de la réponse de ce détecteur en fonction de l'énergie des neutrons. La 1ère validation se focalise sur la comparaison de GEANT4 avec d'autres codes de la littérature. La fonction de réponse de WENDI-2 montre des variations lorsque différents modèles physiques (ou codes) sont utilisés dans les simulations. Ensuite, des mesures expérimentales ont été confrontées aux simulations de GEANT4, et les résultats ont été interprétés avec différents modèles physiques. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The Gas Electron Multiplier (GEM) upgrade project aims at improving the performance of the muon spectrometer of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment which will suffer from the increase in luminosity of the Large Hadron Collider (LHC). After a long technical stop in 2019-2020, the LHC will restart and run at a luminosity of 2 10^34 cm^-2 s^-1, twice its nominal value. This will in turn increase the rate of particles to which detectors in CMS will be exposed and affect their performance. The muon spectrometer in particular will suffer from a degraded detection efficiency due to the lack of redundancy in its most forward region. To solve this issue, the GEM collaboration proposes to instrument the first muon station with Triple-GEM detectors, a technology which has proven to be resistant to high fluxes of particles. Within the GEM collaboration, the Data Acquisition (DAQ) subgroup is in charge of the development of the electronics and software of the DAQ system of the detectors.This thesis presents the work of the author as lead developer of the firmware for the front-end and back-end electronics. These developments have been performed from the ground up and designed to transfer data from the analog front-end to the off-detector electronics while offering extensive control and monitoring capabilities. The developed DAQ chain has been tested extensively during two test beam campaigns which provided results on both the stability of the system and the efficiency of the detectors. The results of these campaigns are described in the present thesis. Further characterization of the electronics is also described along with the procedures and tools built to qualify the components for their installation in CMS. Finally, the results of the irradiation tests performed on the on-detector electronics are presented. These allowed us to understand the effects of radiation on the electronic boards used for the GEM upgrade project and the impact that it has on the design of the firmware for CMS.Additionally, the work of the author on a new architecture for DAQ systems is described. The latter uses modified network topologies and novel web technologies to increase the available bandwidth on the network and yield an event-driven system. / Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le projet de mise à niveau du spectromètre à muons du Compact Muon Solénoid (CMS) auprès du Large Hadron Collider (LHC). Après un arrêt pour maintenance prévu en 2019-2020, le LHC reprendra son programme de recherche à une luminosité de 2 $ imes$ 10^34 cm^-2 s^-1, soit deux fois sa valeur nominale. Ceci aura pour conséquence d'accroître le taux de particules auquel seront soumis les détecteurs de CMS et d'entraver l'efficacité de détection de ces derniers. Le spectromètre à muons de CMS sera tout particulièrement touché à cause du manque de redondance dans sa partie avant. Afin de palier à ce problème, il est proposé d'installer des détecteurs Gas Electron Multipliers (GEM) dans la première station à muons. La technologie GEM répond aux besoins de CMS en offrant une excellente efficacité de détection à de hauts flux de particules. Au sein de la collaboration GEM, le sous-groupe en charge du système d'acquisition de données (DAQ) doit développer l'électronique et les logiciels de gestion de la chaîne de lecture des détecteurs.Nous présentons ici le travail de l'auteur réalisé en tant que principal développeur du firmware pour l'électronique du système DAQ. Ces développements visent à créer une architecture qui achemine les données depuis l'électronique de lecture du détecteur jusqu'aux systèmes situés dans la zone de comptage, tout en offrant la possibilité de contrôler et surveiller l'ensemble des composants du DAQ. Le système mis en place a été largement testé durant deux campagnes de tests en faisceaux qui ont fourni des informations concernant la stabilité du DAQ ainsi que des mesures de l'efficacité des détecteurs. Nous décrivons également l'ensemble des travaux réalisés afin de caractériser les composants électroniques avant leur installation dans CMS ainsi que les résultats des tests d'irradiation effectués sur l'électronique du détecteur. Ces derniers permettent de mieux comprendre les conséquences des radiations sur le système et de développer des méthodes de mitigation.De plus, le travail de l'auteur sur la création d'une nouvelle architecture de système DAQ est décrit. Cette dernière combine les avancées récentes en terme de technologies web à une topologie de réseaux non-classique afin d'accroître la bande passante disponible et de créer un système réactif. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

We present a search for lepton flavor violation processes at eμ final states with the data collected by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV in 2016 corresponding to the integrated luminosity of 35.9 fb^(-1). No evidence for physics beyond the Standard Model is observed in the eμ invariant mass spectrum, the results are interpreted in terms of three different models, an R-parity violating SUSY model (RPV), a heavy Z’ gauge boson model, and a quantum black hole model (QBH). The lower mass limits at 95\% confidence level (C.L.) are found.We also present a search for new high-mass resonances decaying into electron pair with CMS 2016 data. No evidence of signature beyond the Standard Model prediction in the ee invariant mass spectrum observed, therefore the lower mass limits at 95\% C.L. are found for predictions of sequential standard model, grand unify theory, Randall-Sundrum model.Then we update the results of lower mass limits with the combination of 2016 data in ee and μμ channels and 2017 data in ee channel.Further to these, a study of the vector charmonium-like state Y(4220) is performed by using a combined fit on the cross sections of e^+ e^-→ωχ_c0, e^+ e^-→π^+ π^- h_c, e^+ e^-→π^+ π^- J/ψ and e^+ e^-→D^0 D^(*-) π^++c.c. measured by the BESIII experiment. The mass and width of the Y(4220) are obtained, We find the lower limit of its leptonic decay width to be 30 eV. We also estimate its partial decay width to π^+ π^- J/ψ in different scenarios. These results can be compared with the theoretical expectations of different models, and help the understanding of the nature of the Y(4220) state. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les premières années d’opération du LHC à 7 et 8 TeV ont permis de tester de nombreux aspects du modèle standard (MS) de la physique des particules avec comme point d’orgue la découverte d’un boson scalaire compatible avec celui du MS. Cependant, malgré son succès, le MS n’explique pas tout. De nombreux modèles essayent donc de combler les manques du MS et certains requièrent un secteur scalaire étendu. Cette thèse étudie ce secteur scalaire et présente en particulier la recherche d’un nouveau boson scalaire massif en utilisant les 35,9 fb-1 de données récoltées au LHC à 13 TeV en 2016. Cette recherche se concentre sur le processus H→ZZ→2l2ν où l est un electron ou un muon, et ν un neutrino. Une analyse statistique des distributions de masse transverse du boson (Z→l^+ l^-) reconstruit et de l’énergie transverse manquante est réalisée en catégories de jets et de saveurs de lepton après une sélection des événements dans le but de faire sortir un signal potentiel par rapport aux bruits de fond. Divers scenarios de masse, largeur et de mode de productions sont testés pour un boson scalaire H et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour une gamme de masses allant de 300 GeV à 3 TeV. Des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur la section efficace σ(pp→H→ZZ) sont établies. Ces résultats sont combinés avec deux autres canaux étudiés par la collaboration CMS :H→ZZ→4l et H→ZZ→2l2q, où q représente un quark. Cette combinaison est publiée (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour des masses entre 130 GeV et 3 TeV. Un bruit de fond majeur pour cette analyse est le bruit de fond instrumental Z+jets. Son estimation est faite non pas par simulation mais en utilisant les données récoltées par CMS. Un chapitre entier est dédié à l’étude de ce bruit de fond et les incertitudes sur celui-ci sont estimées en détails pour la première fois. En particulier les sources d’incertitudes sont divisées en celles d’origine statistique, systématique et celles inhérentes à la méthode d’estimation de ce bruit de fond. Elles sont respectivement de l’ordre de 50%, 50% et 10%. / The first years of operation of the LHC at 7 and 8TeV (run 1) allowed to probemany aspects of the Standard Model (SM) of particle physics, confirming many predictions up to a high level of precision. An awaited event was the discovery of a scalar boson compatible with the SM in 2012. However, despite its success, the SM cannot explain everything on its own. Models going beyond the SM try to address such issues, and in particular classes of BSM theories require an extended scalar sector.The scope of this thesis falls within the direct search for heavy BSM scalar boson(H) using 35,9 fb-1 of data taken at LHC at 13TeV during 2016 operations. Inparticular, the thesis focuses on H→ZZ→2l2ν where l is an electron or a muon, and ν a neutrino.A statistical analysis of the transversemass distributions of the reconstructed Z boson and the missing transverse energy isperformed in categories of jet and lepton flavour after selecting events in order to enhancethe number of potential signal events in comparison to background events. Variousscenarii of masses, widths and production mechanisms (gluon fusion and vector boson fusion) are tested and no excess is observed in data compared to backgroundestimations for a scalar mass between 300 GeV and 3TeV. Upper exclusion limits onthe cross section of a potential signal are set using the CLs method.The results of this analysis are combined with two other channels studied by theCMS collaboration: H→ZZ→4l and H→ZZ→2l2q, where q is a quark.This combinationhas been published (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) and no significanthint for BSM physics is observed for a scalar mass between 130 GeV and 3TeV.A critical background to control for this analysis is the Z+jet background. Its estimation is done using a data-driven method.A full chapter is dedicated to the study of this background. The present thesis is the first time that the uncertainties on the data-driven estimationof the Z+jet background are estimated in detail. Uncertainties are dividedinto statistical uncertainties, systematic uncertainties and uncertainties inherent to themethod, the latter being computed from a closure test of the method and evaluated to10%. The relative statistical and systematic uncertainties are both of the order of 50%. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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