Le LHC a fourni des collisions proton-proton avec une énergie dans le référentiel du centre de masse égale à 7 TeV correspondant à une luminosité intégrée de 40 pb-1 en 2010 et de 5 fb-1 en 2011. Les données collectées par ATLAS ont permis de valider la compréhension du détecteur, d'évaluer ses performances et de réaliser de nombreuses mesures de paramètres physiques. Dans ce contexte le quark top est un champ d'étude privilégié pour la physique à l'échelle du TeV et pour les études de performance. Après un rappel de la phénoménologie du modèle standard la première partie de cette thèse est consacrée à la description du détecteur et en particulier des calorimètres à argon liquide pour lesquels l'influence des variations de haute tension est détaillée. La deuxième partie est consacrée aux études relatives à la reconstruction et à l'identification des électrons menées sur des données simulées, mais également sur les données de collisions collectées en 2010 à partir d'évènements J/psi->e+e- avec la méthode de tag-and-probe. La dernière partie est dédiée aux études sur le quark top. Les données simulées de signal et de bruit de fond utilisées pour les évènements ttbar sont décrites ainsi que les procédures de reconstruction et d'identification des objets présents dans l'état final. L'estimation de la contribution des évènements avec un lepton mal identifié par la méthode de la matrice est ensuite présentée avant la mesure de la section efficace de paires ttbar dans les canaux dileptoniques réalisée avec les données collectées en 2011: la valeur obtenue en combinant les trois canaux 178.8 +/-2.3 +8.9/-8.4(sys) +8.0/-7.4(lumi) pb est compatible avec les prédictions théoriques.

Le quark top à été découvert en 1995 par les collaboration dzero~et cdf~au TeVatron. De part sa masse très grande de l'ordre de 172.5 GeV, il est difficile à produire et certaines de ces propriétés nécéssitent encore d'être étudiées avec précision. Le Modèle Standard prévoit deux types de production pour le quark top qui sont la production par paires et la production solitaire ("single top"). Si les modes de production par paires sont maintenant bien connus, sa production solitaire l'ai beaucoup moins notamment à cause de faibles taux de production et de forts bruits de fond. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production d'un quark top en association avec un boson W dans le canal dilepton au près de l'expérience ATLAS placée sur le Large Hadron Collider (LHC) au CERN. Deux analyses sont présentées dans ce document. La première mesure mondiale de ce processus, réalisée à l'aide des premiers 35 pb-1 de données, est tout d'abord exposée. Cette mesure se veut simple et robuste et utilise au maximum les données pour les diverses estimations de bruits de fond venant entacher la mesure. Une seconde analyse utilisant cette fois toutes les données 7 TeV recueillies en 2011(4.7 fb-1) est aussi présentée. Cette dernière mesure, de sensitivité beaucoup plus grande, fait appel à des techniques de discrimination poussées utilisant des Arbres de Decision Boostés ainsi qu'un traitement statistique plus performant que celui utilisé précédemment. La valeur mesurée de la section efficace W+t est ensuite utilisée afin de contraindre les secteurs électrofaibles du quark top via une mesure de l'élement de matrice CKM |V_tb|.

Le but premier de la physique des hautes énergies est d'améliorer notre connaissance de la structure fondamentale de la matière, et notamment des particules qui constituent le monde. L'une d'entre elles est le quark top, qui fut découvert en 1995 par les collaborations CDF et D0 auprès du collisionneur protons-antiprotons Tevatron. Un des buts principaux du Tevatron a été depuis l'étude fine des propriétés du quark top, et en particulier de la section efficace de production de paires top-antitop. Différentes analyses ont été menées dans les canaux leptons, dileptons, et tout hadronique afin de déterminer le plus précisément possible les valeurs de ces paramètres, et ainsi de tester la validité du Modèle Standard. Le but principal de cette thèse est de vérifier une des prédictions théoriques du Modèle Standard de la physique des particules, à savoir la section efficace de production top-antitop, auprès du collisionneur Tevatron. Le canal étudié est constitué d'un muon, d'un lepton tau, de leurs neutrinos associés, de de deux jets de quark b (l'un d'entre eux provenant d'un quark b, l'autre d'un anti-quark b). La reconstruction et l'identification des jets , des muons, des leptons taus (en particulier par l'utilisation d'un réseau de neurones dédié), et l'étiquetage des jets de b, représentent les éléments fondamentaux de cette étude. Au final, un bon accord entre les données et la simulation Monte Carlo est obtenu à la dernière étape de cette analyse. En outre, la mesure finale de la prédiction théorique au niveau NLL + NLO du calcul des pertubations sont compatibles.

La polarisation des quarks top produit par interaction électrofaible permet de sonder la structure du vertex Wtb et en particulier de tester le couplage vecteur gauche prévu dans le cadre du Modèle Standard et de rechercher les couplages anormaux droit et tenseur introduits par plusieurs théories au-delà du Modèle Standard. Cette thèse présente la mesure de la polarisation des quarks top produits par interaction électrofaible à partir des données correspondantes à une luminosité integrée de 4,7 fb-1 enregistrées en 2011 par le détecteur ATLAS dans les collisions proton-proton du LHC à l'énergie centre de masse de 7 TeV. La polarisation est extraite des distributions angulaires reconstruites dans une base de spin spécifique pour les événements de production de quark top en voie-t. Le contexte théorique de production de quarks top par interactions forte et électrofaible dans les collisionneurs hadroniques est tout d'abord introduit. Ensuite, le détecteur, les performances de reconstruction des objets physiques ainsi que la sélection des événements avec une signature de top quark électrofaible en voie-t sont décrits. Les méthodes de déconvolution et de convolution utilisées pour extraire la polarisation sont ensuite présentées et testées avec différentes configurations. Les résultats obtenus ainsi que les incertitudes théoriques, expérimentales et statistiques sont finalement examinées. Cette thèse présente la première mesure avec le détecteur ATLAS de la polarisation des quarks top électrofaibles. Les résultats obtenus sont compatibles avec les prédictions du Modèle Standard et contribueront à contraindre de manière significative les couplages Wtb anormaux.

La masse du quark top est un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules. L'un des défis du programme de physique du LHC, où le quark top est produit en abondance, est la détermination précise de ce paramètre. Actuellement, il est mesuré via la reconstruction directe de tous les produits de désintégration du quark top. L'incertitude systématique sur la calibration en énergie des jets et sur l'étiquetage de quarks b limite grandement la précision de cette mesure et il est donc indispensable de développer des mesures alternatives. Une possibilité très prometteuse – jusque-là jamais exploitée – est l'étude de désintégrations de paires de quarks top, où l'un des deux quarks se désintègre dans le canal leptonique avec un J/psi créé lors de la fragmentation du quark b. La masse du quark top est extraite à travers sa corrélation à la masse invariante de la combinaison du J/psi et du lepton chargé. Cette méthode présente l'avantage de n'utiliser que des leptons chargés, dont l'énergie-impulsion est mesurée avec une grande précision dans le détecteur CMS / The top quark mass is a fundamental parameter of the Standard Model of Particle Physics. One of the challenges in the LHC physics case, where the top quark is produced in abundance, is the precise determination of this parameter. Currently, it is measured through the direct reconstruction of all the top quark decay products. The systematic uncertainty on the jet energy calibration and b tagging sensibly limits the precision on this measurement and it is thus vital to develop alternative measurements. A very promising possibility – never exploited until now – is the study of top pair decays, where one of the two quarks decays in the leptonic channel with a J/psi created in the b quark fragmentation. The top quark mass is extracted through its correlation to the invariant mass of the J/psi-charged lepton combination. This method presents the advantages of using charged leptons only, whose energy momentum is measured with great accuracy in the CMS detector

Les travaux présentés au sein de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la mesure de la masse du quark top dans le canal de désintégration électron-muon. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide de la méthode des éléments de matrice et à partir des événements produits par le LHC à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV et enregistrés par le détecteur ATLAS en 2012. Après une introduction du contexte phénoménologique associé au modèle standard et à la physique du quark top, une description du détecteur ATLAS, de la simulation et de la reconstruction des événements de collisions est donnée. La première analyse présentée a été réalisée en début de thèse et estime l'impact qu'a l'installation d'une nouvelle couche de pixels dans le détecteur ATLAS, au plus proche du point de collision, sur les performances d'étiquetages des jets de b lors de prises de données à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV enregistrées à partir de 2015. La seconde partie est consacrée à la mesure de la masse du quark top. Après avoir décrit la sélection à laquelle cette analyse est liée, l'étalonnage de la méthode des éléments de matrice est présenté. La masse du quark top mesurée est :m_top = 172,40 ± 0,35 (stat.) ± 1,12 (syst.) GeV.Cette mesure est obtenue avec une précision de 0,64% et est compatible à la fois avec la combinaison mondiale de la masse du quark top et avec les mesures récentes publiées par la collaboration ATLAS. / The work presented in this thesis lies within the scope of the measurement of the top quark mass in the decay channel electron-muon. This experimental measurement is achieved by the use of the matrix element method with events produced at LHC at a centre of mass energy of 8 TeV and collected by the ATLAS detector in 2012. After introducing the theoretical context of the Standard Model and the physics of the top quark, a detailed description of the ATLAS detector design and of both the event simulation and reconstruction is given. The first analysis presented was done during the beginning of the thesis and focuses on the impact of the insertion of an innermost new pixel layer in the ATLAS detector on the b-tagging performance during the data taking starting in 2015 with an centre of mass energy of 13 TeV. The second part of the thesis is dedicated the top quark mass measurement. After reviewing the selection procedure to which the analysis is linked, the calibration of the matrix element method is presented. The top quark mass is measured as :m_top = 172,40 ± 0,35 (stat.) ± 1,12 (syst.) GeV.This measurement is obtained with a precision of 0.64% and is compatible with both the World combination of the top quark mass and with recent measurements published by the ATLAS collaboration.

Cette thèse présente des études pour l’International Linear Collider (ILC), un collisionneur électron-positron linéaire avec une énergie nominale dans le centre de masse de 250 GeV à 500 GeV. Les données analysées ont été enregistrées avec le prototype physique CALICE d’un calorimètre électromagnétique silice-tungstène (Si-W ECAL) à FermiLab en 2008. Au cours de cette thèse, un algorithme de recherche de traces a été développé, qui trouve des traces secondaires dans les événements hadroniques enregistrés par le prototype Si-W ECAL. Cet algorithme révèle des détails sur les interactions hadroniques dans le volume du détecteur et les résultats sont comparés avec des simulations basées sur le GEANT4 toolkit. Les recherches indirectes de nouvelle physique nécessitent une haute précision sur les mesures des paramètres de Modèle Standard. Théories de la physique au-delà de Modèle Standard, comme théories de dimensions supplémentaires ou modèles composite, impliquent des modifications des couplages électrofaibles des quarks lourds, top et bottom. La deuxième partie de la thèse est une étude de simulation complète des algorithmes de vertexing dans l’environnement ILD et la reconstruction de la charge de quark b. La reconstruction de la charge du quark bottom est essentielle pour de nombreux canaux de physique à l’ILC, particulièrement, pour les réactions e⁺e⁻ → bb̄ et e⁺e⁻ → tt̄ . L’algorithme développé améliore la performance de reconstruction de la charge du quark bottom. Les méthodes de reconstruction de la charge du quark bottom sont appliquées à l’analyse du mécanisme de production tt̄ . Cela permet d’augmenter la statistique pour l’estimation du facteur de forme électrofaible du quark top par rapport à une étude antérieure et donc de diminuer les incertitudes statistiques correspondantes. Les résultats de l’étude du détecteur permettent d’estimer la précision de l’ILC sur les couplages et les facteurs de forme électrofaibles du quark bottom. L’ILC sera capable de résoudre l’anomalie du LEP dans le processus de production bb̄. La précision de l’ILC sur le couplage droite Z⁰bb̄, un candidat majeur pour les effets de la nouvelle physique, est calculée et est au moins 5 fois mieux que celle des expériences de LEP. / This thesis presents studies for the International Linear Collider (ILC),a linear electron-positron collider with a nominal center-of-mass energy of 500 GeV. Data are analysed that were recorded with the physics prototype of the CALICE silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (Si-W ECAL) prototype at FermiLab in 2008. During this thesis, a track-finding algorithm was developed, which finds secondary tracks in hadronic events recorded by the Si-W ECAL physics prototype. This algorithm reveals details of hadronic interactions in the detector volume and the results are compared with simulations based on the geant4 toolkit.Indirect searches of New Physics require a high precision on the measurements of the Standard Model parameters. Many Beyond Standard Model theories, like extradimentional or composite models, imply modifications of electroweak couplings of the heavy quarks, top and bottom. The second part of the thesis is a full simulation study of vertexing algorithms in the ILD environment and the reconstruction of the b-quark charge. The b-quark charge reconstruction is essential for many physics channels at the ILC, particularly, for the e+ e− → bb̄ and the e+ e− → tt̄ channels. The developed algorithm improves the b-quark charge reconstruction performance.The b-quark charge reconstruction methods are applied to the tt̄ production process. This allows to increase statistics for the top quark electroweak form factor estimation w.r.t an earlier study and thus to decrease corresponding statistical uncertainties.The results of the detector study allow for an estimation of the ILC precision on the b-quark electroweak couplings and form factors. The ILC will be able to resolve the LEP anomaly in the bb̄ production process. The ILC precision on the right-handed Z⁰bb̄ coupling, a prime candidate for effects of new physics, is calculated to be at least 5 times better than theLEP experiments.

Ce travail de thèse a été effectué au sein de la collaboration ATLAS au LHC. Il s'intéresse dans un premier temps au développement de nouveaux détecteurs Micromegas pour le projet NSW, et dans un second temps à la recherche d'un processus physique très rare : la production de quatre quarks top au LHC, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Le programme de physique du LHC prévoit une augmentation significative de la luminosité de l'accélérateur dans les années à venir, en particulier pour la phase haute-luminosité dont le démarrage est prévu en 2026. Certains composants du détecteur ATLAS doivent être mis à jour, notamment les petites roues du spectromètre à muons qui vont devoir supporter une irradiation bien supérieure au niveau actuel. De nouvelles petites roues (NSW) sont en cours de développement et une partie des détecteurs Micromegas pour ces petites roues est construite par l'IRFU. Les performances de ces détecteurs sont validées sur un banc de test utilisant des muons cosmiques. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer un code d'analyse des données de ce nouveau banc de test afin de caractériser les détecteurs Micromegas pour le projet NSW. Le code fournit notamment des informations de gain et d'efficacité de détection, et sera utilisé jusqu'à la fin du projet. Les efficacités mesurées sont globalement en accord avec les attentes sauf sur certaines parties des détecteurs qui doivent être investiguées. Le quark top est un élément central de plusieurs théories au-delà du modèle standard, comme par exemple les modèles avec des dimensions supplémentaires, ou encore qui incluent une modification du secteur du boson de Higgs. Certains de ces modèles prédisent une augmentation de la section efficace de production de quatre quarks top qui est un phénomène très rare dans le modèle standard et dont la section efficace ne vaut qu'environ 12 fb à 13 TeV. L'étude du processus à quatre tops dans le canal à deux leptons de même charge électrique est particulièrement intéressante car le niveau de bruit de fond y est très faible. Ce travail de thèse s'intéresse d'abord à l'analyse des événements à quatre tops avec le détecteur ATLAS, portant sur les données prises en 2015 et 2016. L'étude de ce processus est un défi de par le faible nombre d'événements disponibles, mais aussi à cause du bruit de fond dû aux faux leptons qui est difficile à estimer. Plusieurs limites sont posées sur des modèles de nouvelle physique, et sur la production conforme au modèle standard. Cette dernière limite est combinée avec un résultat provenant du canal à un lepton pour fournir la meilleure limite au moment de sa publication. Le processus de production de quatre quarks top conforme au modèle standard est à nouveau étudié avec l'entièreté des données prises entre 2015 et 2018, dans le but d'en effectuer une première observation. L'analyse de données est en cours, et cette thèse se concentre sur le développement d'une nouvelle méthode d'estimation du bruit de fond dû aux faux leptons. / This doctoral work was carried out as a member of the ATLAS collaboration at the LHC, an accelerator with a center-of-mass energy of 13 TeV. The development of new Micromegas detectors for the NSW project has been studied, along with the search for a very rare physics process : the production of four top quarks at the LHC, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The physics programme of the LHC plans a significant increase of the luminosity in the coming years, especially for the high-luminosity phase beginning in 2026. Some parts of the ATLAS detectors must be upgraded to cope with the increased radiation levels. The small wheels of the muon spectrometer will be replaced by new small wheels (NSW) using Micromegas detectors. IRFU is responsible for producing some of the detectors, which performances are being validated on a test bench using cosmic muons. During this doctoral work, the aim was to develop an analysis code for the test bench data, in order to characterize the Micromegas detectors of the NSW project. The code provides gain and detection efficiency informations, and will be used until the end of the project. The measured efficiencies are in agreement with the expectations except in some parts of the detectors that are being investigated. The top quark plays a central role in many theories beyond the standard model, for instance in models with extra dimensions, or with a modification of the Higgs boson sector. Many of these models predict an enhanced cross section for the very rare four top quark process, which is predicted to be approximately 12 fb at 13 TeV. The study of the four top quark process is particularly interesting in the channel with leptons having the same electric charge because of the very low background level. This doctoral work is firstly carried out on the data taken in 2015 and 2016 by the ATLAS detector, in order to study the four top quark process and some new physics models. This process is very challenging given the very low number of events, and the difficult estimation of the fake lepton background. Several limits are set on new physics models and on the standard model four top quark production. The results on the standard model process are combined with the results from the single lepton channel to set the tightest limit at the time of its publication. The four top quark production is being studied again, using the data taken from 2015 to 2018 this time, with the aim of making a first observation of this process. The doctoral work is focused on a new method for estimating the fake lepton background.

A measurement of the mass of the top quark is presented, using top-antitop pair (t-tbar) candidate events for the lepton+jets decay channel. The measurement makes use of Tevatron proton-antiproton collision data at centre-of-mass energy 1.96 TeV, collected at the CDF detector. The top quark mass is measured by employing an unbinned maximum likelihood method where the event probability density functions are calculated using signal (t-tbar) and background (W+jets) matrix elements, as well as a set of parameterised jet-to-parton mapping functions. The likelihood function is maximised with respect to the top quark mass, the fraction of signal events, and a correction to the jet energy scale (JES) of the calorimeter jets. The simultaneous measurement of the JES correction (ΔJES) provides an in situ jet energy calibration based on the known mass of the hadronically decaying W boson. Using 578 lepton+jets candidate events corresponding to 3.2 inverse femtobarns of integrated luminosity, the top quark mass is measured to be 172.4 ± 1.4(stat+ΔJES) ± 1.3(syst) GeV/c², one of the most precise single measurements to date.

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les particules elementaires et leurs interactions avec une grande précision. Il décrit trois des quatre interactions fondamentales connues entre les particules elementaires : les interactions faibles, fortes et électromagnétiques. Le Modèle standard fournit aussi une description précise des interactions électrofaibles jusqu’à des échelles d’énergie qui ont été étudies dans les expériences de physique de haute énergie. Les interactions ainsi que les désintégrations d'un grand nombre de particules découvert et observe tout au long des expériences différentes dans les 50 dernières années sont également décrites. En dépit de son succès, le Modèle Standard est loin d’être une théorie complète des interactions fondamentales car il n’intègre pas la théorie complète de la gravitation telle que décrite par la relativité générale, ni la prédiction de l’accélération de l'expansion de l'univers (qui pourrait être décrite par l’énergie noire). La théorie ne contient aucune particule de matière noire viable qui possède toutes les propriétés déduites de la cosmologie observationnelle. Également, elle ne prend pas en compte les oscillations de neutrinos (et leurs masses non nulles). On pense que la nouvelle physique doit exister conduisant a de nouvelles particules et phénomènes. L’échelle a laquelle cette nouvelle physique devrait apparaıtre n'est pas bien connue, cependant plusieurs arguments soulignent l’échelle du TeV et nécessitent une très haute énergie et des puissants collisionneurs de hadrons. Le Large Hadron Collider (LHC) est le plus grand accélérateur et collisionneur de particules existant. / The Standard Model of particle physics is very successful in describing elementary particles and their interactions with a great precision. It describes three of the four known fundamental interactions between elementary particles : the weak, the strong and the electromagnetic interactions. The Standard Model also provides an accurate description of the electroweak interactions up to energy scales that have been explored in high energy physics experiments. The interaction and decay of a large number of particles discovered and observed throughout different experiments in the last 50 years are also described. Despite its great success, the Standard Model falls short of being a complete theory of fundamental interactions because it does not incorporate the full theory of gravitation as described by general relativity, or predict the accelerating expansion of the universe (as possibly described by dark energy). The theory does not contain any viable dark matter particle that possesses all of the required properties deduced from observational cosmology. It also does not account for neutrino oscillations (and their non-zero masses). It is thought that new physics should exist leading to new particles and phenomena. The scale at which this new physics should appear is not well known, though several arguments point to the TeV scale and require a very high energy and powerful hadron collider. The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest existing particle accelerator and collider. It is designed to provide proton-proton collisions with an unprecedented center-of-mass energy of 14 TeV, with instantaneous luminosities up to 10^{34} cm−2s−1.