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

Over the last few decades, the Standard Model (SM) of particle physics has been used as a means of understanding the world around us. However, there is an increasing amount of data that suggests the SM of particle physics only describes nature up to energies of the electroweak scale. Extensions to the SM have been developed as a means of explaining experimental observation. If these extensions are indeed the correct mathematical descriptions of nature, the Large Hadron Collider (LHC), located at the European Center for Nuclear Research (CERN) near Geneva, Switzerland, is expected to produce new and exciting physics signatures that can shed light on the evolution of our universe since the early hypothesized Big Bang. Of particular interest are models that may lead to events with highly energetic tau lepton pairs. In this dissertation, focus is placed on a possible search for new heavy gauge bosons decaying to highly energetic tau pairs using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 36 pb^-1 of proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV collected with the CMS detector at the CERN LHC. The number of observed events in the data is in good agreement with the predictions for SM background processes. In the context of the Sequential SM, a Z0 with mass less than 468 GeV/c^2 is excluded at 95 percent credibility level, exceeding the sensitivity by the Tevatron experiments at the Fermi National Accelerator Laboratory.

Le sujet de cette thèse est la recherche de particules supersymétriques dans l'expérience D0 auprès de l'accélérateur du Tevatron où se produisent des collisions protons-antiprotons à une énergie $\sqrt{s}=1.96 TeV dans le centre de masse. De nombreux argument plaident en faveur du fait que le Modèle Standard malgré ses nombreux succès ne serait qu'une théorie effective décrivant les interactions à basse énergie entre les particules élémentaires. Le Tevatron étant à l'heure actuelle le collisionneur le plus énergétique au monde permet de rechercher les particules supersymétriques non découvertes à ce jour. L'analyse a porté sur un échantillon de données correspondant à une luminosité intégrée de 352 pb$ç{-1}$ (2001-2004). Le modèle supersymétrique retenu est celui où la R-partité est non-conservée par couplage $\lambda_133}$. L'état final peut être caractérisé par la présence de deux électrons, d'énergie transverse manquante et d'au moins un tau se désintégrant de façon hadronique. Aucun excès d'événéments avec une telle signature n'ayant été identifié, de nouvelles limites inférieures sur les masses des neutralinos et charginos ont été obtenues. Afin de pouvoir mener cette analyse à bien nous avons au préalable développé une méthode d'identification des leptons taus dans leurs modes hadroniques. Cette méthode s'appuie sur des réseaux de neurones et utilise les informations du calorimètre et du trajectographe ayant trait à l'isolation et aux dépôts énergétiques longitudinaux et transverses des taus. L'efficacité et la validité de cette méthode ont été estimées dans les données à l'aide du processus Z $\rightarrow \tau \tau \rightarrow \mu \tau _hadr}$. Cette méthode d'identification à l'aide de réseaux de neurones permet de rejeter l'important bruit de fond des jets QCD d'un facteur 100 pour environ 50% d'efficacité. Elle est à l'heure actuelle un outil officiel de l'expérience D0.