This dissertation presents the results of a search in the exclusive photon plus missing transverse energy (gamma + E/_T) final state in proton antiproton collisions at center of mass energy of 1.96 TeV using the Collider Detector at Fermilab experiment. The strategy used here is to search for delayed photons coming from gauge mediated supersymmetric events with the exclusive production of ~X(0 1) -> gamma~G. In these models the ~X(0 1) is the lightest neutralino and has nanosecond lifetime before decaying to a photon (gamma) and gravitino (~G) which exits the detector unrecorded. In order to search for this process we select collisions that have a single photon plus missing transverse energy and little other activity in the detector and examine the arrival time of the photon. This arrival time is then compared against expectations from a data driven background of the standard model sources. In the data collected from the Fermilab Tevatron collider from December 2004 to June 2010, representing 6.3 fb^-1 of data, we observe 322 events in the photon arrival timing region from 2 nanoseconds to 7 nanoseconds with a data driven background prediction of 257 +/- 35. An excess of 65 events is observed, equivalent to a standard deviation (N_sigma) of 1.65 from the null hypothesis.

Cette thèse a été effectuée dans le cadre de la recherche de la supersymmetrie (SUSY) avec 20.3 fb^{-1} de collisions proton-proton délivrées par le LHC et collectées par le détecteur ATLAS à sqrt{s} = 8 TeV. Si SUSY est réalisée dans la nature, des squarks (partenaires des quarks) et des gluinos (partenaires des gluons) devraient être produits à cette énergie, et on attend à ce qu'ils se désintègrent en états finaux sans electron ni muon, plusieurs jets et de l'énergie transverse manquante (due à la production de la particule SUSY la plus légère (LSP) qui traverse le détecteur sans être observée). La première partie de cette thèse consiste à définir deux régions de validation utilisées dans la procédure finale de fit visant à évaluer le bruit de fond provenant des bosons W et des top quarks qui se désintègrent en leptons tau. A partir de ce fait, et comme on n'a observé aucun excès, on dérive des limites sur les masses des particules dans des modèles simplifiés ou dans des modèles SUSY avec peu de paramètres. Une limite d'exclusion à 95% de niveau de confiance sur la masse des gluinos a été déterminée à 1330 GeV pour le modèle simplifié avec un gluino et un neutralino sans masse. Dans le cadre de mSUGRA/CMSSM avec tan beta = 30, A_0 = -2m_0 et mu > 0, les squarks et gluinos sont exclus pour des masses inférieures à 1700 GeV. L'ajout d'un véto sur les évènements avec les leptons tau est aussi explorée et l'impact sur l'exclusion a été évaluée.Le deuxième partie de cette thèse a été effectuée dans le cadre du modèle phénoménologique minimal supersymmétrique (pMSSM) où l'interprétation des résultats de l'analyse 0-lepton mentionnée ci-dessus, ainsi que les résultats d'autres analyses d'ATLAS, a été menée à bien. Le choix des paramètres et de leur domaine d'exploration a été faite sur la base de résultats non-SUSY comme les désintégrations rares des mésons B, la masse de boson de Higgs, les limites de recherche directe de la matière noire et la limite sur la densité de matière noire de l'Univers. La contribution de cette thèse commence par la validation de la sélection des évènements au niveau truth et reconstruit. Comme cette analyse est la plus contraignante dans le pMSSM, cette validation est faite avec une attention particulière. Les contraintes obtenues avec toutes les analyses sur les masses des différentes particules SUSY sont décrites, en particulier pour les squarks, gluinos et neutralinos. Les résultats sont discutés pour les types des LSP différents: bino, wino et Higgsino. Enfin, les résultats de l'analyse 0-lepton seule sont décrits et expliqués, à la fois pour les masses des sparticules et pour les valeurs des paramètres du pMSSM, puisque l'analyse 0-lepton est la seule qui permet de mettre des limites en se basant sur une procédure statistique bien définie. / This thesis has been performed in the context of the search for supersymmetry (SUSY) with the 20.3 fb^{-1} of LHC proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at $sqrt{s}$ = 8 TeV. If SUSY is present in nature, squarks (partners of quarks) and gluinos (partners of gluons) are expected to be produced copiously at this energy, leading to events which main signature is no electron nor muon, a large number of jets and missing transverse energy (from the production of the lightest supersymmetric particle (LSP) leaving the detector unseen) denoted the 0-lepton analysis. The first part of the work presented in this thesis concentrates on the definition of Validation Regions used in the final fitting procedure to better assess the background coming from W-boson and top quark decays to tau leptons. From this fit, and since no excess has been observed, upper limits on various supersymmetric particles production have been derived within simplified models or SUSY models with low number of parameters. The exclusion limits at the 95% confidence level on the mass of the gluino has been set to 1330 GeV for a simplified model incorporating only a gluino and the (massless) lightest neutralino. In the mSUGRA/CMSSM models with $tanbeta=30$, $A_0=-2m_0$ and $mu>0$, squarks and gluinos of equal mass have been excluded for masses below 1700 GeV. A possible addition of a veto on the events containing tau leptons was also explored by assessing its impact on the exclusion reach of the analysis.The second part of this thesis has been done under the 19 parameters phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM) interpretation which not only uses the results of the above mentioned 0-lepton analysis but also other ATLAS searches results. The choice of the parameters and their range of exploration has been done on the basis of non-SUSY experimental results such as the rare B-decays, the mass of the SM Higgs boson, the limits from direct DM searches and the upper limit on the cold dark matter energy density of the Universe. The contribution of this thesis starts with the validation of the event selection at the truth and reconstructed levels. Knowing that this is the most constraining ATLAS analysis in the pMSSM parameter space, those checks have been performed with particular care. The constraints obtained with all the analyses on the various sparticle masses are described afterwards, concentrating on squarks, gluinos and neutralinos. The results are discussed for the different natures of the LSP: bino, wino and higgsino. Finally the 0-lepton-only results are described and further explained, first on sparticle mass planes and later on the pMSSM parameters, since only the 0-lepton analysis leads to a well defined statistical procedure that allows to derive properly all those results.

The theoretical development of the Standard Model in the 1960s and 1970s has led to the discovery of its missing piece, the Higgs boson, at the ATLAS experiment (together with its sister experiment, CMS) at the Large Hadron Collider at CERN in 2012. In order to solve the problem of large quantum corrections to the leading expansion of the Higgs boson mass, additional symmetries need to be added to the Standard Model. A possible solution to this problem of Higgs mass quantum corrections is the theory of Supersymmetry, which includes partners to each Standard Model particle, such as gluinos, squarks, and the lightest supersymmetric particle. This dissertation describes a search for pair-produced gluinos, where each gluino decays via a top squark or a bottom squark to the lightest supersymmetric particle (a neutralino). Events which contain a large jet multiplicity in the final state (i.e. at least four jets of which at least three must be b-jets), and large amounts of missing transverse energy, are obtained for further studies. The dataset used for this search includes 139 fb^−1 of integrated luminosity recorded by the ATLAS experiment between 2015 and 2018 at a center-of-mass energy √s = 13 TeV. No significant excess is observed in data above the Standard Model backgrounds, and gluino masses up to 2.3 TeV for both the Gtt and the Gbb models are excluded at a 95% confidence level. This dissertation also contains an overview of, and the author’s work on, the data quality monitoring of the ATLAS liquid argon calorimeter during 2017 data taking. / Graduate

The ATLAS detector is one of the two largest experiments installed at the Large Hadron Collider at CERN, the European Organization for Nuclear Research. During the first run, the ATLAS detector recorded data at centre of mass energies of 7 TeV and 8 TeV, enabling many precision measurements and new physics searches. One important task in ATLAS is measuring the primary vertex, the interaction point of the hardest proton-proton collision in an event. In this thesis, a study of the primary vertex reconstruction performance in data and simulated events using $t\bar{t}$ and ${Z}$ events is presented. Within the statistics available, the performance in data and simulated events is found to be compatible. Motivated by the limitations of the Standard Model of particle physics, searches for supersymmetric particles are performed with the ATLAS experiment. No signal has been observed so far, and the results are used to set exclusion limits on the masses of the supersymmetric particles. As the exclusion limits are derived from analyses which each target only a single decay mode of a supersymmetric particle, the analyses might have lower sensitivity to more complex decay scenarios. In this thesis the sensitivity of one of the ATLAS searches for direct top squark pair production to models with more complex decay modes is investigated. The study concludes that the sensitivity to models where the top squark can decay via heavier charginos and neutralinos is lower than the sensitivity to models where only decays to the lightest chargino or neutralino are present.

This dissertation presents searches for direct pair production of a scalar partner of the top quark in events with only jets and \acrlong{met} in proton--proton collisions recorded during LHC Run 1 and Run 2 with the ATLAS detector. In the supersymmetry scenario, the partner is called top squark or stop. The stop ($\stop$) is assumed to decay via $\stop \to t \ninoone$, $\stop\to b\chinoonepm \to b W^{\left(\ast\right)} \ninoone$, or $\stop\ra bW\ninoone$, where $\ninoone$ ($\chinoonepm$) denotes the lightest neutralino (chargino). Exclusion limits are reported in terms of the stop and neutralino masses. The LHC Run 1 analysis uses an integrated luminosity of 20.1~{\ifb} at $\acrshort{sqrts}=8~\tev$ to exclude top squark masses in the range $270$--$645~\GeV$ for $\ninoone$ masses below $30~\GeV$, assuming a 100\% $\stop \to t \ninoone$ \gls{br}. For a \gls{br} of $50\%$ to either $\stop \to t \ninoone$ or $\stop\to b\chinoonepm$, and assuming $m_{\chinoonepm} = 2 m_{\ninoone}$, stop masses in the range $250$--$550~\GeV$ are excluded for $\ninoone$ masses below $60~\GeV$. The LHC Run 2 analysis uses an integrated luminosity of 13.3~{\ifb} at $\acrshort{sqrts}=13~\tev$. Assuming a 100\% $\stop \to t \ninoone$ \gls{br}, stop masses in the range $310$--$820~\GeV$ are excluded for $\ninoone$ masses below $160~\GeV$. For $\mstop\sim m_t+\mLSP$ scenario, the search excludes stop masses between $23$--$380~\GeV$. Additionally, scenarios where stops are produced indirectly through gluino decay but have very low $p_T$ signature due to a very small $\Delta (\mstop, \mLSP)$, have been considered. The result is interpreted as an upper limit for the cross section in terms of the gluino and stop masses. This excludes all models considered which include $m_{\gluino}$ up to 1600~\GeV\ with $\mLSP<560~\GeV$ at 95\% CL. Finally, the analysis strategy from the LHC Run 1 search is applied in the broader scope of supersymmetry called \gls{pmssm}. This dissertation presents a summary of the results that related to the stop search.

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

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

Les théories supersymétriques, telles que le Modèle Standard Supersymétrique Minimal, constituent des extensions très populaires du Modèle Standard de physique des particules, et sont activement recherchées au Large Hadron Collider (LHC). Dans cette thèse, nous nous concentrons sur deux aspects de la phénoménologie des théories supersymétriques aux collisionneurs hadroniques de haute-énergie, à savoir les collisions polarisées, et les calculs de précision. Dans un premier temps, nous réalisons une étude au Leading Order (LO), dans laquelle nous montrons comment la présence de faisceaux polarisés (longitudinalement) pourrait nous aider à différencier des modèles de Nouvelle Physique présentant la même signature à l'état final. A titre d'exemple, nous considérons le cas d'une classe particulière de scénarios, menant à la production de monotops, qui correspondent à la production d'un quark top en association avec de l'énergie transverse manquante. Nous présentons nos résultats pour un LHC polarisé à 14 TeV, et pour le récemment proposé Futur Collisionneur Circulaire (FCC), supposé opérer à 100 TeV. Par la suite, nous nous concentrons sur la réalisation de prédictions de précisions pour la production de paires de particules supersymétriques colorées au next-to-leading order (NLO) en QCD supersymétrique, avec ou sans violation non-minimale de saveur, et avec ou sans Parton Shower (PS). Plus particulièrement, nous fournissons les premiers résultats (préliminaires) pour la production de squark-antisquark au NLO en SUSY-QCD avec violation non-minimale de saveur, dans le cas d'un calcul à ordre perturbatif fixe, et considérons dans le contexte de modèles simplifiés la production par paires de particules colorées de type scalaire et Majorana au NLO avec PS / Supersymmetric theories, such as the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), constitute very popular extensions of the Standard Model of particle physics that are extensively searched for at the Large Hadron Collider (LHC). In this thesis, we focus on two specific aspects of the phenomenology of supersymmetric theories at high-energy hadron colliders, namely polarized collisions and precision calculations. First, we perform a Leading Order (LO) study, in which we show how the availability of (longitudinally) polarized proton beams could us help us to disentangle various Beyond the Standard Model (BSM) scenarios exhibiting the same final-state signature. For the sake of illustration, we focus on the case of one particular class of scenarios leading to monotop production, which corresponds to the production of a top quark in association with missing transverse energy. We present our results for a polarized LHC at 14 TeV, and for the recently proposed Future Circular Collider (FCC), supposed to operate at 100 TeV. Then, we concentrate on precise predictions for the pair production of coloured supersymmetric particles at next-to-leading order (NLO) in supersymmetric QCD, with or without Non-Minimal Flavour Violations (NMFV), and with or without matching those predictions with Parton Showers (PS). More specifically, we provide the first preliminary results for squark-antisquark pair production at NLO in SUSY-QCD with NMFV, in the case of a fixed order calculation, and consider in the context of simplified models the pair production of coloured scalar and coloured Majorana particles at NLO matched with PS

Le Modèle Standard de la physique des particules est un modèle décrivant très bien les particules élémentaires et leurs interactions mais plusieurs raisons motivent les physiciens à rechercher de la physique au-delà de ce modèle. La supersymétrie correspond à une des extensions les plus prometteuses. La thèse est axée sur deux sujets, et repose sur les données acquises en 2015 et 2016 avec le détecteur ATLAS du LHC (CERN):La première partie est un travail de performance permettant d'améliorer la mesure de l'énergie des jets de particules. Ces objets sont générés par l'hadronisation des quarks et des gluons par interaction nucléaire forte et sont difficiles à reconstruire. Ma contribution correspond à la dernière étape et repose entièrement sur les données. La méthode se base sur les mesures effectuées sur les photons qui servent d'objets de référence. Mon travail a consisté à mettre en place la méthode, estimer les corrections en énergie et évaluer les incertitudes. Les corrections obtenues sont de l'ordre de 2-3% en fonction de l'énergie des jets. L'incertitude sur l'échelle en énergie des jets est estimée à environ 1% pour les trois types de jets étudiés. Les résultats sont actuellement utilisés par la collaboration ATLAS. Cette méthode permet également de mesurer la résolution en énergie des jets du détecteur. Une résolution de l'ordre de 17%-22% est obtenue à 40 GeV en fonction du type de jet étudié, et 4% à 1 TeV, avec une incertitude de l'ordre de 10%.La deuxième partie de la thèse porte sur la recherche d'un signal de supersymétrie. Le signal recherché correspond à la production d'une paire de squarks ou de gluinos et comprend des jets et de l'énergie transverse manquante dans l'état final. Mon travail porte principalement sur l'optimisation des critères de sélections en se basant sur plusieurs modèles simplifiés de supersymétrie. Neuf nouvelles régions de signal ont été introduites dans l'analyse. Les limites tracées au cours du Run 1 sur la masse des squarks et gluinos ont ainsi été augmentées pour atteindre une valeur maximale respective de l'ordre de 1.6 TeV et 2 TeV sur les modèles étudiés. / The Standard Model of particle physics is a very precise model describing the elementary particles and their interactions. However, some issues lead physicists to search for physics beyond the Standard Model. Supersymmetry is an extension of the Standard Model providing solutions to the current issues. In this thesis, results are obtained using the data collected in 2015 and 2016 with the ATLAS detector at the LHC (CERN). The thesis is based in two parts:The first part is a performance analysis improving the energy measurement of high energy objects called "jets". They are generated by the hadronization of quarks and gluons in the detector via the strong nuclear interaction. My contribution is the last step of the the reconstruction and calibration chain and is fully based on data. The method uses the very precise measurement of the photon energy, and provides corrections to the jet energy scale. My contribution consists in set-up the method, estimate the corrections, measure the jet energy scale and evaluate the uncertainties. Corrections are at the order of 2-3% as a function of the jet energy scale. The uncertainty of the jet energy scale is estimated to be at the order of 1% for the three jet types. Results are now used by the ATLAS Collaboration. This method is also used to estimate the jet energy resolution. A resolution at the order of 17%-22% at 40 GeV depending on the jet type, and 4% at 1 TeV is obtained with an uncertainty at the order of 10%.The second part of the thesis corresponds to the search for supersymmetry. The signal corresponds to a pair of supersymmetric particles called squarks and gluinos and corresponds to jets and missing transverse energy in the final state. My contribution mainly corresponds to the optimisation of the selections using several simplified models of supersymmetry. Nine signal regions have been introduced in the analysis. Limits on the mass of squarks and gluinos computed during the Run 1 have been greatly improved to reach a maximal value respectively at the order of 1.6 TeV and 2 TeV.