Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches résume une partie des travaux que j'ai réalisés ces dix dernières années dans le domaine de la physique des particules au sein d'expériences situées auprès de collisionneurs. Il est organisé en deux parties. La première concerne les réalisations instrumentales liées à la calorimétrie et la seconde résume les recherches du scalaire top, partenaire supersymétrique du quark top.

L'ajout de la supersymétrie au Modèle Standard (MS) de la physique des particules est très bien motivée. Reliant les bosons aux fermions dans un formalisme élégant, la supersymétrie propose une solution naturelle au problème de hiérarchie et permet l'unification des trois constantes de couplages du MS à grande échelle d'énergie. De plus, si la R-parité est conservée, elle fournit un candidat naturel pour expliquer la grande quantité de matière noire observée dans l'univers. Dans le MS supersymétrique minimal, c'est généralement le neutralino, l'un des partenaires supersymétriques des bosons électrofaibles (jauginos) et des bosons de Higgs (Higgsinos), qui se mélangent pour former quatre états propres de masses neutres (neutralinos) et deux chargés (charginos). Après une introduction sur la supersymétrie, nous présentons les formalismes de resommation au seuil et en impulsion transverse. Ensuite, nous considérons la production de paires de jauginos aux collisionneurs hadroniques actuellement en marche, i.e. RHIC, Tevatron et LHC. Nous étudions les effets dus à la polarisation des hadrons initiaux et aux corrections QCD supersymétriques complètes. Finalement, nous appliquons les resommations au seuil et en impulsion transverse à la production de paires de jauginos, et nous montrons qu'elles ont un impact important sur les distributions de masses invariantes et d'impulsion transverses. Tout au long de ces études, nous analysons en détail les erreurs théoriques venant des variations d'échelles et des fonctions de densités de partons.

ATLAS, une des quatre expériences opérant auprès du Grand Collisionneur de Hadrons, est conçue pour découvrir la pièce manquante du Modèle Standard de la physique des particules, le boson de Higgs et pour rechercher des signes d'une nouvelle physique à l'échelle du Teraélectron-volt. Le calorimètre électromagnétique, un des sous-système majeur d'ATLAS, utilise une technologie argon liquide avec une géométrie en accordéon. Ce détecteur fut testé, pendant la phase de construction, lors d'une série de tests en faisceaux, puis, après son installation, à l'aide de muons cosmiques. Les performances du calorimètre, telles que résolution en énergie, linéarité et uniformité, furent étudiées. Si une nouvelle physique est découverte au LHC, l'étape suivante sera de mettre en évidence les propriétés de la théorie sous-jacente. A partir de l'exemple du lagrangien supersymétrique à l'échelle du TeV, nous montrerons comment, grâce au programme SFitter, il est possible d'étudier un espace de vraisemblance de grande dimension et d'extraire les valeurs des paramètres de la théorie ainsi que leur domaine de vraisemblance. Nous discuterons en particulier la présence de maximums secondaires et les corrélations entre paramètres.

Ce mémoire d'HDR présente une synthèse des travaux que j'ai effectués depuis 7 ans pour la préparation de l'expérience D0 à Fermilab et l'analyse des données du collisionneur à hadrons Tevatron. Il présente deux thématiques principales : système de déclenchement et recherche de nouvelle physique, notamment la recherche de particules supersymétriques et du boson de Higgs du modèle standard.

La supersymétrie semble être l'extension naturelle du Modèle Standard la plus naturelle. A basse énergie elle peut consister au Modèle Standard Supersymétrique Minimal (MSSM) qui ici est le cadre de la recherche du squark top, grâce à 350 pb-1 de données récoltées par l'expérience DØ lors du RunIIa du TeVatron. Nous avons sélectionné les évènements avec un électron, un muon, de l'énergie transverse manquante et des traces non isolées, signature de la désintégration du stop en trois corps ( ).<br /> En l'absence d'un excès significatif d'évènements de ce signal, les résultats ont été interprétés en terme de limites de section efficaces de production du stop permettant d'étendre la région d'exclusion dans l'espace des paramètres ( ) existante jusqu'à des masses de stop de 168 (140) GeV pour une masse de sneutrino de 50 (94) GeV.<br /><br /> En raison du rôle majeur du calorimètre électromagnétique dans beaucoup de recherches effectuées dans DØ, une calibration fine de celui-ci a été effectuée en utilisant des évènements avec des désintégrations , améliorant notablement la résolution de l'énergie mesurée

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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Le modèle standard supersymétrique minimal (MSSM) est probablement une des théories de nouvelle physique les plus étudiées. Dans la plupart des études phénoménologiques, on fait l'hypothèse de la violation minimale de la saveur dans laquelle toutes les interactions violant la saveur sont directement liées à la matrice CKM du modèle Standard. Cependant, si la supersymétrie est plongée dans des cadres plus larges tels que les théories dites de Grande Unification, de nouvelles sources de violation de la saveur peuvent apparaitre. Les termes correspondant dans le lagrangien sont directement liés au choix du mécanisme de brisure de la supersymétrie. Or, à l'heure actuelle, aucun consensus n’existe quant au choix exact du mécanisme de brisure de la SUSY. Plusieurs mécanismes ont été évoqués récemment (entre autre, par le co-directeur de la thèse), qui pourraient conduire à des signatures prometteuses au LHC pour différents scénarios et domaines de paramètre. Le projet est donc idéalement situé à la frontière entre le 'model building' et des aspects plus phénoménologiques. Pour cette raison, le thésard sera naturellement amené à interagir de manière active avec le groupe de phénoménologie de physique des particules du LAPTh ainsi qu'avec les groupes de physique des particules du LAPP (ATLAS, LHCb..), laboratoire expérimental partageant le même bâtiment que le LAPTh. De plus, des collaborations sur le plan national, en particulier avec le LPSC de Grenoble, ainsi que sur le plan international, avec les universités de Würzburg et Münster (Allemagne) et le nouvel institut de physique de NATAL (Brésil) sont également envisagées. / The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) is probably the best studied of all new physics theories. In most phenomenological studies, one assumes the hypothesis of minimal flavour violation, where all flavour-violating interactions are related to the CKM-matrix (as it is the case in the standard model). However, if supersymmetry is embedded in larger frameworks such as grand unified theories (GUT), new sources of flavour violation can appear. The corresponding terms in the Lagrangian are directly related to the mechanism of supersymmetry breaking, for which at present no theoretical consensus exists. Several processes have recently been evoked (among others by the co-director of the proposed thesis), which might lead to promising signatures at the LHC if non-minimal flavour violation is realized. These studies, however, included flavour-violating terms directly at the electroweak scale without taking into account their possible origin at some high scale. The main goal of the project is to extend the previous work in order to take into account the link between the electroweak and the GUT scale. This will allow to put constraints on parameters describing supersymmetry breaking using constraints imposed at the electroweak scale. A second goal is the analysis of relevant processes with the help of current Monte-Carlo simulation tools in order to study the background and thus clarify the observability at LHC for different scenarios and regions of parameters space. So, the project is ideally situated at the frontier between model building and more phenomenological aspects. For this reason the project naturally includes interactions with the local particle physics phenomenology group at LAPTh as well as with the the neighbouring experimental groups (e.g. ATLAS, LHCb) at LAPP. Moreover, collaborations on the national, in particular with the LPSC Grenoble, and international level, e.g. with the University of Würzburg (Germany), the University of Münster (Germany) and the newly created International Institute of Physics in Natal (Brasil) are envisaged.

Deux problèmes majeurs requièrent une extension du Modèle Standard (MS) : le problème de hiérarchie dans le secteur de Higgs, et la matière noire de notre Univers. La découverte d'un boson de Higgs avec une masse d'environ 125 GeV est clairement l'événement majeur en provenance du Large Hadron Collider (LHC) du CERN. Cela représente le triomphe définitif du MS, mais cela met également en lumière le problème de hiérarchie et ouvre de nouvelles voies pour sonder la nouvelle physique. Les différentes mesures effectuées pendant le run I du LHC contraignent les couplages du Higgs aux particules du MS ainsi que les désintégrations invisibles et non-détectées. Dans cette thèse, l'impact des résultats sur le boson de Higgs au LHC est étudié dans le cadre de différents modèles de nouvelle physique, en prenant soigneusement en compte les incertitudes et leurs corrélations. Des modifications génériques à la force des couplages du Higgs (pouvant provenir de secteurs de Higgs étendus ou d'opérateurs de dimension supérieure) sont étudiées. De plus, des modèles de nouvelle physique spécifiques sont testés, notamment, mais pas seulement, le Modèle Standard Supersymétrique Minimal phénoménologique.Alors qu'un boson de Higgs a été trouvé, il n'y a toutefois nulle trace de physique au-delà du MS au run I du LHC en dépit du grand nombre de recherches effectuées par les collaborations ATLAS et CMS. Les conséquences des résultats négatifs obtenus lors de ces recherches constituent un autre volet important de cette thèse. Tout d'abord, des modèles supersymétriques avec un candidat à la matière noire sont étudiés à la lumière des résultats négatifs dans les recherches de supersymétrie au LHC, en utilisant une approche basée sur les "modèles simplifiés". Ensuite, des outils pour contraindre un modèle de nouvelle physique quelconque à partir des résultats du LHC et d'événements simulés sont présentés. De plus, au cours de cette thèse, les critères de sélection de plusieurs analyses au-delà du MS ont été réimplémentés dans le cadre de MadAnalysis 5 et ont été intégrés à une base de données publique. / Two major problems call for an extension of the Standard Model (SM): the hierarchy problem in the Higgs sector and the dark matter in the Universe. The discovery of a Higgs boson with mass of about 125 GeV was clearly the most significant piece of news from CERN's Large Hadron Collider (LHC). In addition to representing the ultimate triumph of the SM, it shed new light on the hierarchy problem and opened up new ways of probing new physics. The various measurements performed at Run I of the LHC constrain the Higgs couplings to SM particles as well as invisible and undetected decays. In this thesis, the impact of the LHC Higgs results on various new physics scenarios is assessed, carefully taking into account uncertainties and correlations between them. Generic modifications of the Higgs coupling strengths, possibly arising from extended Higgs sectors or higher-dimensional operators, are considered. Furthermore, specific new physics models are tested. This includes, in particular, the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model.While a Higgs boson has been found, no sign of beyond the SM physics was observed at Run I of the LHC in spite of the large number of searches performed by the ATLAS and CMS collaborations. The implications of the negative results obtained in these searches constitute another important part of this thesis. First, supersymmetric models with a dark matter candidate are investigated in light of the negative searches for supersymmetry at the LHC using a so-called "simplified model" approach. Second, tools using simulated events to constrain any new physics scenario from the LHC results are presented. Moreover, during this thesis the selection criteria of several beyond the SM analyses have been reimplemented in the MadAnalysis 5 framework and made available in a public database.

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