L'extension supersymétrique du Modèle Standard peut contenir des interactions violant la symétrie dite de R-parité. La présence de tels couplages engendrerait une violation des nombres leptonique et/ou baryonique et modifierait en profondeur la phénoménologie de la supersymétrie auprès des futurs collisionneurs de particules. Nous avons développé des tests des interactions violant la R-parité. D'une part, nous avons étudié des signaux clairs de la production d'un seul partenaire supersymétrique de particule du Modèle Standard, qui implique les couplages violant la R-parité, dans le cadre de la physique aux prochains collisionneurs leptoniques et hadroniques. Les résultats montrent que de fortes sensibilités pourront être obtenues sur les paramètres de brisure douce de la supersymétrie et indiquent la possibilité d'une amélioration d'un à deux ordres de grandeur des limites indirectes actuelles sur les valeurs de plusieurs constantes de couplage violant la R-parité. De plus, il a été vérifié que l'analyse de la production d'un seul superpartenaire offre l'opportunité de reconstruire de façon indépendante du modèle théorique diverse masses de superpartenaires avec une grande précision. D'autre part, nous avons étudié des effets de violation de la symétrie CP aux futurs collisionneurs leptoniques dans la production de paire de fermions de saveurs différentes, ou de leur superpartenaire, permettant de mettre en évidence d'éventuelles phases complexes des constantes de couplage violant la R-parité. Nous avons vu notamment que la production d'un quark top accompagné d'un quark charmé permet de tester la violation de CP dans le secteur hadronique. La conclusion de ces travaux est que les phases complexes de certaines constantes de couplage violant la R-parité pourraient être observées, et plus particulièrement dans un scénario où ces couplages exhiberaient une grande hiérarchie dans l'espace des saveurs

Ce mémoire de thèse sera consacré à l'étude de quelques aspects phénoménologiques de la supersymétrie avec, comme principaux sujets, d'une part, la physique du MSSM dans le cas où les superparticules scalaires sont lourdes et les implications possibles auprès de collisionneurs à haute énergie tels que le LHC et, d'autre part, les caractéristiques des particules de matière noire et leurs détermination auprès des collisionneurs et dans des expériences d'astroparticules.

On donne une preuve complète de la classification des représentations d'énergie positive unitaires de l'algèbre Neveu-Schwarz, de telle manière qu'on obtient directement les caractères de la séries discrètes. Ensuite, on explicite leur loi de fusion de Connes et on prouve que les sous-facteurs de Jones-Wassermann sont irréductibles d'indice fini, on donne leur formule.

AMS02 est un détecteur de physique des particules destiné à 3 ans de prise de données sur la Station Spatiale Internationale. Il permettra de mesurer simultanément les flux de rayons cosmiques chargés et de photons entre 1 GeV et 1 TeV, avec une grande capacité d'identification. Les performances de ce spectromètre se fondent sur la redondance des mesures de sous-détecteurs spécifiques: un compteur de temps de vol, un détecteur à rayonnement de transition, un trajectographe au Silicium entouré d'un aimant supra-conducteur, un compteur Cerenkov et un calorimètre électromagnétique (Ecal).<br /><br />Le Ecal fait l'objet d'études détaillées, avec la qualification d'un système autonome de déclenchement de l'acquisition dédié à l'astronomie gamma. Il permet d'augmenter la sensibilité aux photons et d'améliorer la reconstruction des événements électromagnétiques. La partie analogique du système de déclenchement a été testée sur banc et lors de deux tests en faisceau du Ecal au CERN. La calibration en vol du calorimètre avec des rayons cosmiques est étudiée, elle comprend deux volets : l'inter-calibration des canaux avec des protons au minimum d'ionisation et un étalonnage absolu avec des électrons. Dans les deux cas, de possibles procédures sont présentées, et les temps nécessaires à la calibration en vol sont calculés pour démontrer sa faisabilité.<br /><br />Une partie de cette thèse traite de la recherche indirecte de matière noire et de la sensibilité d'AMS02. Comptant pour 84% de la masse de l'Univers, la matière noire pourrait consister en de nouvelles particules. Agglomérées dans notre Galaxie, elles pourraient s'annihiler par paires et constituer une source exotique de rayons cosmiques primaires. La recherche d'excès dans les flux d'antiparticules (antiprotons, positons, antideutérons) et de rayons gamma semble la plus prometteuse. Un outil de calcul numérique est développé pour la prédiction des flux exotiques dans le cadre de la supersymétrie et de modèles à dimensions supplémentaires. Des études phénoménologiques concernant l'amplification du signal en présence de zones à haute densité de matière noire sont menées. Le cas particulier de la concentration de particules de matière noire dans le voisinage de trous noirs de masse intermédiaire est envisagé et fait l'objet de prédictions quantitatives. Enfin, les outils développés sont utilisés pour estimer la sensibilité d'AMS02, en particulier pour quantifier sa capacité à reconstruire l'état final d'annihilation en combinant les canaux, et ainsi remonter au modèle de nouvelle physique.

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

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP. / Dark matter has been a mystery for astrophysicists for years now. Numerous observations have shown that up to 85 % of the gravitation mass of the universe is made of this unknown type of matter. One of the theories explaining this missing mass problem considers WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), neutral stable particles predicted by extensions of the standard model, as possible candidates. The PICASSO experiment (Project In Canada to Search for Supersymetric Objects) tries to detect this particle directly. The technique uses superheated droplet detectors, with freon (C4F10) as the active medium. When a WIMP hits the fluorine nucleus, it creates a nuclear recoil, which in turn triggers a phase transition from a liquid droplet to a gaseous bubble. The acoustic noise of this event is then recorded by piezoelectric transducers mounted on the walls of the detector. There are however other particles than the WIMPs that can trigger this phase transition. Alpha particles, or even gamma rays can create bubbles. The Data Acquisition System (DAQ) is also subject to electronic noise that can be picked up, and to acoustic noise coming from an exterior source. Fractures in the polymer holding the droplets in place can also trigger spontaneous phase transitions. There is therefore a need to minimize the impact of these background noises. The level of purity of the ingredients used in detector fabrication then becomes very important. Digital processing methods are also used to develop discrimination variables that improve the limits of detection of the WIMP.

De nombreuses mesures cosmologiques et astrophysiques tendent à montrer que notre galaxie serait englobée par un halo de matière sombre non-baryonique. La détection directionnelle vise à mesurer la direction du recul nucléaire issu d'une interaction avec une particule de matière sombre. Cela permettrait de mettre en évidence la forte dépendance angulaire de la distribution de reculs due à la rotation du système solaire autour du centre galactique. Cette thèse aborde la détection directionnelle par une approche multi-thématique : phénoménologie, expérimentale et analyse de données. L'objectif des études phénoménologiques est de montrer l'apport d'un détecteur directionnel en terme de recherche de matière sombre. Grâce au développement de méthodes statistiques dédiées, on montre qu'un détecteur tel que celui proposé par la collaboration MIMAC, devrait permettre de découvrir la matière sombre avec une grande significance jusqu'à des sections efficaces 2 à 3 ordres de grandeur en dessous des limites actuelles. La mise en place d'une méthodologie d'analyse de données directionnelles constitue un second objectif de cette thèse car la reconstruction 3D des traces mesurées est un point clef de cette nouvelle stratégie de détection. On présente ainsi une nouvelle méthode d'analyse basée sur une approche par vraisemblance, permettant d'optimiser l'estimation des paramètres de chaque événement mesuré: position dans le détecteur et direction. Dans le cadre de la discrimination du bruit de fond électronique, on a mis en place une étude basée sur la topologie de la trace et utilisant une analyse par arbres de décision boostés qui nous permet d'obtenir des facteurs de rejet environ 20 fois supérieurs à ceux obtenus avec des analyses séquentielles. Du point de vue expérimental, on présente une méthode originale de la mesure de vitesse de dérive des électrons permettant d'obtenir des incertitudes de l'ordre du pourcent et de contraindre simultanément les coefficients de diffusion longitudinale. On termine enfin sur l'analyse des données obtenues auprès du champ de neutrons AMANDE permettant de valider la stratégie de détection du projet MIMAC.

Cette thèse présente la recherche de nouvelle physique avec un état final contenant un seul photon et de l'énergie transverse manquante. On recherche la matière sombre (ou noire) et la signature de particules supersymétriques. L'analyse des données collectées par le détecteur ATLAS au LHC, issues de collisions proton-proton dont l'énergie dans le centre de masse est de 8 TeV, est faite avec une luminosité intégrée de 20.3fb−1. L'accord entre les données mesurées et les prédictions du modèle standard permet d'établir une limite sur la section effi- cace de production mesurable. Cette limite est observée à la valeur de 3.64 fb à 95% de niveau de confiance.Dans cette thèse, la limite expérimentale obtenue est également interprétée comme une limite dans l'espace des paramètres de deux nouveaux modèles.Le premier est basé sur une théorie des champs effective qui s'inspire des résultats du satellite Fermi-LAT. Dans ce modèle, les particules de matière sombre se couplent aux pho- tons par une interaction de contact. Les limites sur l'échelle de masse effective sont établies et dépendent d'un postulat sur les constantes de couplage. Elles contraignent l'espace des paramètres qui est compatible avec les résultats de Fermi-LAT.Le second est un modèle supersymétrique simplifié décrivant la production de paires de squarks se désintégrant en un quark et un neutralino. Dans ce cas, le photon est émis soit dans l'état initial soit dans l'état final. De plus, le spectre en masse est compressé, i.e. que la différence de masse entre les squarks et les neutralinos est supposée petite. Les limites sont établies sur la section efficace de production. Ces limites montrent une exclusion sur la masse des squarks jusqu'à 250 GeV dans la région la plus compressée de l'espace des paramètres. Le photon pouvant être émis par le squark intermédiaire, cet état final pourrait permettre de déterminer la charge du squark.Enfin, une étude préliminaire prospective à l'énergie de collision de 13 TeV a égale- ment été menée. Elle montre qu'avec 5fb−1 de données seulement, les limites peuvent être améliorées de 10%. / This thesis presents the search for new physics in the final state containing a single photon and missing transverse momentum. The analysis is performed on 20.3fb−1 of proton-proton collisions data at a center-of-mass energy of 8 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Given the good agreement of the data with the Standard Model pre- diction of such events, an upper limit to the visible cross section produced by new physics is derived. The observed limit at 95% confidence level is 3.64 fb.In this thesis, the results are also interpreted as limits in the parameter space of two new physics models. The first model is an effective field theory, inspired by Fermi-LAT results, in which dark matter particles couple to photons via a contact interaction vertex. Limits are set on the effective mass scale and depend on the postulated coupling constants. The limits set in this dark matter model provide an effective constraint in the parameter space of the theory compatible with the Fermi-LAT results. The second one is a simplified supersymmetric model describing squark pair production with their subsequent decay into a quark and a neutralino. The photon is emitted as initial or final state radiation and the spectrum is compressed, i.e. the mass difference between the squark and the neutralino is assumed to be small. Limits are set on the production cross-section; squark masses are excluded up to 250 GeV in the very compressed region. As the photon can be irradiated from the intermediate squark, this final state would eventually provide the possibility to probe the charge of the squark.A preliminary study has also been carried out to show the search sensitivity with 13 TeV data, which indicate that the limits presented in this thesis can already be improved by 10% with 5fb−1.

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

Le Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM), le plus étudié des modèles de Nouvelle Physique, contient un candidat à la matière noire : le neutralino. Un des mécanismes qui permet de réduire la densité relique de neutralino jusqu'à l'intervalle expérimental de WMAP et de Planck est la coannihilation entre le neutralino et le stop. Dans cette thèse nous étudions deux aspects différents liés à la prédiction de la densité relique dans la région de coannihilation neutralino-stop, ainsi qu'au calcul des sections efficaces d'annihilation et de coannihilation correspondantes. Nous présentons tout d'abord la matière noire en tant que WIMP ainsi que le Modèle Standard de la Physique des Particules, puis nous abordons le MSSM ainsi la phénoménologie de la densité relique de neutralino. Nous étudions ensuite la phénoménologie de la violation de saveur non minimale dans le secteur des squarks dans le contexte de la densité relique de neutralino. Nous considérons des termes violant la saveur dans le secteur des squarks up et down de chiralité droite et de troisième génération et montrons qu'ils peuvent avoir un impact important sur les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation du neutralino, et en conséquence sur la densité relique. Finalement, nous nous intéressons à la possibilité d'améliorer la précision avec laquelle la densité relique est prédite, en calculant les sections efficaces d'annihilation et de coannihilation à l'ordre supérieur dans la théorie des perturbation. En se basant sur des travaux antérieurs qui ont montré que l'impact des corrections SUSY-QCD à une boucle pour l'annihilation de neutralino était supérieur à l'incertitude expérimentale, nous avons calculé de telles corrections dans le cas de la coannihilaiton neutralino-stop en bosons de jauge électrofaibles et bosons de Higgs. / The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the most famous model of Physics beyond the Standard Model, provides a good dark matter candidate: the neutralino. One of the mechanisms which can reduce the predicted relic density of neutralino to the experimental range of WMAP and Planck is the coannihilation between the neutralino and the stop. In this thesis, we study two different aspects related to the prediction of the relic density in the neutralino-stop coannihilation region and the calculation of the corresponding annihilation and coannihilation cross sections. We first make short reviews of WIMP dark matter and the Standard Model of particle Physics, introduce the MSSM and discuss the phenomenology of neutralino relic density. We then study the phenomenology of Non Minimal Flavor Violation in the squark sector in the context of neutralino relic density. We consider flavor violating terms in the sectors of right handed third generation up and down squarks and show that they can have an important impact on the thermally averaged (co)annihilation cross section of the neutralino, and therefore on its relic density. Finally, we focus on the issue of improving the precision with which the relic density is calculated, by computing (co)annihilation cross sections at Next-to-Leading Order. Following earlier work in the calculation of one-loop SUSY-QCD corrections to the annihilation of neutralinos, which have shown that the impact of such corrections was larger than the experimental uncertainty, we have calculated similar corrections for the neutralino-stop coannihilation into electroweak gauge and Higgs bosons.