Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.

En 2011, le LHC a fourni près de 5 fb−1 de données aux expériences. Ces données ont été utilisées pour comprendre plus avant les détecteurs, leurs performances et effectuer des analyses de physique. Cette thèse est organisée en cinq chapitres. Le premier est une introduction théorique au Modèle Standard et à une de ses extensions possible : la TechniCouleur. Le deuxième chapitre donne un bref aperçu de l'accélérateur LHC et de l'expérience ATLAS. Dans le troisième chapitre, l'un des principaux sous-système de l'expérience ATLAS est présenté : le calorimètre à argon liquide. L'algorithme de contrôle de l'acquisition et de la qualité des données que j'ai développé au cours de ma thèse est également présenté. Le quatrième chapitre présente une étude des performances de la reconstruction des jets basée sur l'ensemble des données acquises en 2010. Cette étude a montré qu'en 2010, la résolution en énergie des jets dans le Monte-Carlo a été sous-estimée d'un facteur relatif d'environ 10% par rapport aux données. Cette étude a été ensuite reconduite pour évaluer l'impact de la réduction de la HV dans des zones du calorimètre sur la résolution en énergie des jets. Cet impact a été jugée négligeable. Pour des jets produits avec une rapidité |y| < 0.8, l'augmentation de la résolution en énergie due à la réduction de la HV, est évaluée à moins de 3 % pour un jet de pT = 30 GeV jet, et moins de 0,1 % pour un jet de pT = 500 GeV. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse présente une étude de l'état final Wgamma. La contribution des différents processus du MS participant à cet état final a été estimée à partir du Monte Carlo et des données. Une recherche de résonances étroites a ensuite été effectuée en utilisant la distribution M(W,gamma) dans un intervalle [220,440] GeV, mais aucun écart significatif des prédictions du MS n'a été observé. Cette étude a permis de fixer des limites sur la production de particules TC correspondant à M(a_{T}) > 265 GeV ou M(\rho_{T}) > 243 GeV. / In 2011 the LHC has provided almost 5 fb-1 of data to the experiments. These data have been used to perform a deep commissioning of the detectors, understand the performances of the detector and perform physics analysis. This thesis is organized in five chapter. The first one is a theoretical introduction to the Standard Model and to one of its possible extension: the TechniColor. The second chapter gives a brief overview of the LHC and the ATLAS experiments. In the third chapter one of the key subsystem of the ATLAS experiment is presented: the LAr calorimeters. The monitoring of the data acquisition developed during my thesis is also presented in this chapter. The fourth chapter presents a study of the jet performances based on the data set acquired in 2010. This study has shown that in 2010, the Monte Carlo was underestimating the jet energy resolution by a relative factor of about $10\%$. This study was refocused to evaluate the impact of the reduced LAr HV area on the jet energy resolution. The impact of the HV reduced region was found to be negligible. For jets produced with a rapidity |y|<0.8, the increase of energy resolution due to the HV reduction, is evaluated at less than 3% for a pT=30 GeV jet, and less than 0.1% for a pT=500 GeV jet. Finally the last chapter of this thesis present a study of the Wgamma final state. The standard model backgrounds contributing to this final state were estimated from Monte Carlo and from data. A search for narrow resonances was then conducted using the M(Wgamma) distribution in a range [220,440] GeV, but no significant deviation from the SM was observed. This study has allowed to set limits on the production of TC particles corresponding to M(a_{T}) > 265 GeV or M(\rho_{T}) > 243 GeV.

En 2011, le LHC a fourni près de 5 fb−1 de données aux expériences. Ces données ont été utilisées pour comprendre plus avant les détecteurs, leurs performances et effectuer des analyses de physique. Cette thèse est organisée en cinq chapitres. Le premier est une introduction théorique au Modèle Standard et à une de ses extensions possible : la TechniCouleur. Le deuxième chapitre donne un bref aperçu de l'accélérateur LHC et de l'expérience ATLAS. Dans le troisième chapitre, l'un des principaux sous-système de l'expérience ATLAS est présenté : le calorimètre à argon liquide. L'algorithme de contrôle de l'acquisition et de la qualité des données que j'ai développé au cours de ma thèse est également présenté. Le quatrième chapitre présente une étude des performances de la reconstruction des jets basée sur l'ensemble des données acquises en 2010. Cette étude a montré qu'en 2010, la résolution en énergie des jets dans le Monte-Carlo a été sous-estimée d'un facteur relatif d'environ 10% par rapport aux données. Cette étude a été ensuite reconduite pour évaluer l'impact de la réduction de la HV dans des zones du calorimètre sur la résolution en énergie des jets. Cet impact a été jugée négligeable. Pour des jets produits avec une rapidité |y| < 0.8, l'augmentation de la résolution en énergie due à la réduction de la HV, est évaluée à moins de 3 % pour un jet de pT = 30 GeV jet, et moins de 0,1 % pour un jet de pT = 500 GeV. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse présente une étude de l'état final Wgamma. La contribution des différents processus du MS participant à cet état final a été estimée à partir du Monte Carlo et des données. Une recherche de résonances étroites a ensuite été effectuée en utilisant la distribution M(W,gamma) dans un intervalle [220,440] GeV, mais aucun écart significatif des prédictions du MS n'a été observé. Cette étude a permis de fixer des limites sur la production de particules TC correspondant à M(a_{T}) > 265 GeV ou M(\rho_{T}) > 243 GeV.