Le travail scientifique présenté dans cette thèse s’appuie sur des collisions proton proton, à 13 TeV dans le centre de masse, produite par le grand collisionneur de Hadron (LHC) et enregistrées entre 2015 et 2017 par le détecteur ATLAS. Après une brève introduction sur le programme de physique du LHC, le premier chapitre donne un aperçu complet du contexte et des motivations théorique. Ensuite une description complète du détecteur ATLAS et plus généralement de l’ensemble expérimental est donnée. Le troisième chapitre traite d’une des mesures des performances du calorimètre électromagnétique ATLAS, à savoir l’étude des efficacités identification électronique à l’aide de W se désintégrant en électrons et neutrinos.Dans les chapitres suivants, le coeur de cette thèse, la recherche et l’étude de la production associée de boson de Higgs avec une paire de quark top, appelée production ttH, est traitée dans le schéma du modèle Standard et au-delà. L’observation de la production ttH avec le détecteur ATLAS a été récemment annoncée en 2018 et représente une étape importante pour le domaine de la physique des hautes énergies. Afin d’élargir le spectre de cette analyse tth au-delà du SM, cet état final du canal 4L a aussi été étudié dans le cadre de la recherche de bosons de Higgs doublement chargés se désintégrant en W$^{\pm}$W$^{\pm}$, H$^{\pm \pm} \rightarrow $ W$^{\pm}$W$^{\pm}$. En conclusions, les perspectives sur les futurs résultats scientifiques dans le modèle Standard (SM) ainsi que au-delà de SM (BSM) qui pourraient être atteint en utilisant les statistiques complètes des Run1 et Run2 combinés sont donnés. / The scientific work presented in this thesis is based on proton proton collision produced, at 13 TeV in the center of mass, created by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded between 2015 and 2017 by the ATLAS detector.After a short introduction on the physics program at LHC, the first chapter gives a comprehensive overview of the theoretical context and motivation. Then a complete description of the ATLAS detector and more generally the experimental setup is given with a highlight on the different physics objects used in this research.The third chapter is dealing with a measure of the performances of the ATLAS electromagnetic calorimeter, namely the study of the electron identification efficiencies using W decaying into electrons and neutrinos events.In the following chapters, the core of this thesis work, the search and study of the associated Higgs boson production with top quark pair, so-called ttH production, within the Standard Model schema and beyond is treated. The observation for ttH production with the ATLAS detector recently announced in 2018 represents a significant milestone for the High-Energy Physics field. In order to broaden the spectrum of this ttH analysis beyond the SM, this 4L channel final states was also studied in the context of the search for doubly charged Higgs boson decaying into W±W±, H±±→W±W±.In conclusions, future prospects in Standard Model (SM) as well as Beyond SM (BSM) scientific results that could be reached using the full Run1 and Run2 combined available statistics are given.

The Large Hadron Collider (LHC) is the most powerful and complex particle accelerator ever built. The ATLAS and the CMS are the two multipurpose particle detectors at the LHC, designed to cover a wide range of physics measurements. Three physics studies performed using data of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector are presented. The identification of jets originating from b quarks, also known as b-tagging, is a crucial tool for many physics analyses at the LHC. This thesis presents a calibration of the b-tagging efficiency for high transverse momentum jets using a new calibration technique. This analysis is based on template fits and uses multi-jet events, which allows to perform the calibration for jets with transverse momenta up to 1200 GeV. This thesis also describes a completed and connected technical project on the development of the b-tagging ATLAS software. Dark Matter (DM) is a new phenomenon introduced to explain astrophysical observations. The nature of DM is one of the most important subjects of investigations in the modern physics, and many of these investigations are carried out at the LHC. A search for DM production in association with a pair of heavy flavour quarks has been recently performed in ATLAS at a centre-of-mass energy √s = 8 TeV under the Effective Field Theory approach. A re-interpretation of the results of this search under assumption of the simplified models is presented. A set of simplified models is considered with various DM masses, masses of the spin-0 exchange particle, that mediates the interaction between DM and the regular matter, and various values of couplings. Benchmark models are chosen to be used in the DM searches at √s = 13 TeV. The last part of the thesis presents a search for DM production in association with a pair of top quarks performed under assumption of the simplified models with spin-0 mediator, using the data collected at a centre-of-mass energy √s = 13 TeV. The observed data are shown to be in good agreement with the Standard Model predictions, and upper limits are set on a ratio between the observed DM production cross section and the value expected by the simplified model.

This thesis presents the measurement of the differential cross section of the top-antitop pair production in proton-proton collisions at center-of-mass energy of 8 TeV at the ATLAS experiment. The measurement is performed for top-antitop events in the single lepton decay channel in the boosted topol- ogy. The measured differential cross section is expressed as a function of the top quark transverse momentum at particle level and at parton level. The mea- sured distributions are compatible with the theoretical predictions of the Standard Model. The experimental techniques used in this measurement are discussed with emphasis on the jet reconstruction and on the identification of jets originating from b-quark fragmentation. The jet reconstruction is influenced by simultane- ous proton-proton collisions (pileup), and the mitigation of these pileup effects is studied. A novel pileup subtraction technique for jets is proposed using an ex- tension of the methods currently being employed by the LHC experiments. The new method has a good performance in removing the pileup contributions at the level of jet constituents. 1

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Ce travail de thése concerne la recherche du boson de Higgsa laide de canaux de désinégration contenant des photons dans létat final, baée sur les données enregistrées par le détecteur ATLAS en 2011 et 2012, a une énergie dans le centre de masse des collisions proton-proton center-mass-energy et 8 TeV. La sélection deséévenements, les principaux bruits de fond, les propriéés du signal, la discrimination statistique entre signal et bruits de fond, ainsi que l'interprétation des ésultats en terme de boson de Higgs du moéle standard sont discués. Dans le canal de désinégration H to gamma+gamma, un excés par rapport au niveau de bruit de fond est clairement visible a une masse mH=126,8 +- 0,2(stat) +- 0,7(syst) GeV et avec une significativité locale de7,4 sigma. En revanche, dans le canal de désinégration rareH to Z+gamma, aucun excés n'est obseré dans la feétre de masse allant de 120 a 150 GeV. Ce résultat est interpéé comme une limiteégalea 11 fois la valeur de la section efficace de production pp to H to Z+gamma prédite par le moéle standard pour une masse du boson de Higgs de mH = 125,5 GeV, proche de celle mesurée dans les canaux engamma+gamma et en quatre leptons. Une reconstruction et une identification efficace des photons, ainsi qu'une connaissance précise des performances du systéme de éclenchement et de l'algorithme d'identification, sont des aspects importants de ces mesures. Une grande partie de ce manuscrit est ainsi consacréea la description de l'optimisation de ces performances et des activités de mesures que j'ai réalisées pendant ces trois années. / This thesis focuses on the searches for the Higgs boson in events with photons in the final states, using the full proton-proton collision data collected by ATLAS at center-mass-energy of 7 TeV and 8 TeV in 2011 and 2012.Higgs boson decays to photon pairs or to a photon and a Z boson decaying to di-electrons or di-muons are investigated. The event selection, the main backgrounds, the signal properties, and the statistical discrimination between the signal and background in data and the interpretation of the results in terms of a Standard Model Higgs boson are discussed. In the H decays to diphoton channel a clear excess over the background is seen at a mass of mH= 126.8 +- 0.2(stat) +- 0.7(syst) GeV, with a local significance of 7.4 sigma. In the rare decay channel H decays to Z+gamma no evidence of excess over the background is observed in the mass range 120-150 GeV, and, for a Higgs boson mass near the one obtained from the combined mass measurement in the diphoton and 4-lepton final states, mH=125.5 GeV, an upper limit of 11 times the SM prediction, at 95% confidence level, is set on the production cross section times the H to Z+gamma cross section. One of the most important ingredient for these measurements is the efficient reconstruction and identification of photons, and a precise knowledge of the trigger and identification performance. A significant part of the document is thus devoted to the photon performance optimisation and measurement activities that I carried on in the past three years.

Ce travail présente la mesure de la section efficace différentielle du boson Z en impulsion transverse (ptz), dans le canal de désintégration electron-positron, avec le détecteur ATLAS au LHC. La mesure utilise 4.64 inverse fb de données de collisions proton-proton, prises en 2011 avec une énergie du centre de masse de 7 TeV. Le résultat est combiné avec une mesure indépendante faite dans le canal muon-antimuon. La mesure est faite jusqu'à ptz = 800 GeV, et a une incertitude typique de 0.5 % pour ptz < 60 GeV, atteignant jusqu'à 5 % vers la fin du spectre. La mesure est comparée avec modèles théoriques et prédictions des générateurs Monte Carlo.

This thesis presents three searches for new resonances in dijet invariant mass spectra. The spectra are produced using √s = 13 TeV proton-proton collision data recorded by the ATLAS detector. New dijet resonances are searched for in the mass range 200 GeV to 6.9 TeV in mass. Heavy new resonances, with masses above 1.1 TeV, are targeted by a high mass dijet search. Light new resonances, with masses down to 200 GeV, are searched for in dijet events with an associated high momentum object (a photon or a jet) arising from initial state radiation. The associated object is used to efficiently trigger the recording of low mass dijet events. All of the analyses presented in this thesis search for an excess of events, localised in mass, above a data-derived estimate of the smoothly falling QCD background. In each search no evidence for new resonances is observed, and the data are used to set 95% C.L. limits on the production cross-section times acceptance times branching ratio for model-independent Gaussian resonance shapes, as well as benchmark signals. One particular benchmark signal which is considered in all of the searches is an axial-vector Z' dark matter mediator model whose parameter space is reduced due to the results presented in this thesis.

Une recherche du boson de Higgs du Modèle Standard produit en association avec un boson W ou Z et se désintégrant en une paire quark-antiquark b a été effectuée avec le détecteur ATLAS. Les données de collisions proton-proton utilisées ont été accumulées durant le Run 2 du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, et correspondent à une luminosité intégrée de 79.8 fb⁻¹. Trois canaux contenant zéro, un ou deux leptons chargés (électrons ou muons) sont considérés, correspondant à chacune des désintégrations leptoniques d'un boson W ou Z: Z->vv, W->lv et Z->ll. Pour un boson de Higgs de masse 125 GeV, un excès d'événements par rapport aux bruits de fonds des autres processus du Modèle Standard est observé avec un niveau de signification statistique de 4.9 déviations standard, à comparer à 4.3 attendues. Le rapport du nombre d'événements observé au nombre attendu est mesuré être 1.16 +0.27/-0.25 = 1.16 +/-0.16(stat) +0.21/-0.19(syst). Ce résultat est combiné avec d'autres d'ATLAS sur la recherche du boson de Higgs se désintégrant dans le mode bbbar, utilisant des données du Run 1 et du Run 2. Le niveau de signification mesuré (attendu) pour ce mode de désintégraion est de 5.4 (5.5) déviations standard, ce qui en constitue la première observation directe. De plus, une combinaison des résultats du Run 2 sur la recherche de la production associée du boson de Higgs et d'un boson W ou Z conduit à un niveau de signification observé (attendu) de 5.3 (4.8) déviations standard, et donc à la première observation de ce mode de production. / A search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a W or Z boson, and decaying to a bb pair has been performed with ATLAS detector. The data were collected in proton-proton collisions during Run 2 of the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 79.8 fb⁻¹. Three channels containing zero, one and two charged leptons (electrons or muons) have been considered to target each of the leptonic decays of the W or Z boson, Z->vv, W->lv et Z->ll, referred to as as the 0-lepton, 1-lepton and 2-lepton channels, respectively. For a Higgs boson mass of 125 GeV, an excess of events over the expected background from other Standard Model processes is found with an observed significance of 4.9 standard deviations, compared to an expectation of 4.3 standard deviations. The ratio of the measured signal events to the Standard Model expectation equal 1.16 +0.27/-0.25 = 1.16 +/-0.16(stat) +0.21/-0.19(syst). The result is also combined with the other results from the searches for the Higgs boson in the bb 18 decay mode in Run 1 and Run 2, the combination yields an observed (expected) significance of 5.4 (5.5) 20 standard deviations, and therefore provides a direct observation of the Higgs boson decay into a bb pair. In addition, a combination of Run 2 results searching for the Higgs boson produced in association with a W or Z boson yields an observed (expected) significance of 5.3 (4.8) standard deviations, and therefore provides a direct observation of Higgs boson being produced in association with a W or Z boson.

Le LHC entrera dans sa phase à haute luminosité vers 2027 et pour profiter de l’augmentation importante du taux de collisions, ATLAS, et plus particulièrement son trajectographe doivent être améliorés en terme de résistance aux radiations et traitement de données à un taux accru. Grace au nouveau design du trajectographe at à l’amélioration d’algorithmes d’étiquetage des saveurs de jets, l’identification de jets issus de la désintégration de B hadrons sera facilitée et des canaux de physique possédant des quarks b dans leurs états finaux seront plus facilement accessible, parmi lesquels le couplage trilinéaire du boson de Higgs. La résistance aux raditions des capteurs à pixels en silicium joue un rôle primordial dans leur utilisation auprès des experience LHC. La quantification de l’impact des rayonnements sur les capteurs silicium est un enjeu crucial : un outil de digitisation des dommages des rayonnements a été développé pour modéliser l’impact des radiations dans les simulations Monte Carlo d’ATLAS. Le test de capteurs à pixels planaires, développés par le LPNHE et la fonderie FBK, constitue la partie principale de cette thèse. Les trois productions de capteurs testées possèdent plusieurs designs technologiques. Pour maximiser l’acceptance géométrique du détecteur, des capteurs à bord mince ont été développés. Deux options de polarisation durant les phases de test ont ausssi été étudiée. Les capteurs ont été testés à plusieurs phases d’irradiation. L’optimisation d’algorithme de b-tagging basé sur la reconstruction de vertex secondaire sera aussi présentée, ainsi qu’une étude concernant les performances du b-tagging à haut pT . / By 2027, the LHC will enter its high luminosity regime, providing protons protons collisions at an unprecedented rate. The LHC experiments whill have to be upgraded to cope with this higher data rate. The new ATLAS Inner Tracker (ITk) will allow a better identification of b-quarks and interesting physics signature with b-quarks in the final states such as the Higgs trilinear coupling will be reachable. The work performed during this thesis consisted in testing planar pixel sensors for the ITk, as well as optimizing b-tagging algorithms. In parallel, a study on the radiation damage on silicon pixel sensors have been performed. The radiation hardness of silicon sensors plays a determinant role as it allows them to be efficient in the highly radiative environment at LHC. Understanding the impact of radiation in silicon sensors is a major challenge and a radiation damage digitizer which models radiation damage effects in ATLAS Monte Carlo simulations is currently developed by the ATLAS experiment. Three ITk silicon planar pixel sensors productions of LPNHE and FBK have been developed, produced and tested on beam. Sensors from these three productions aim to be part of the ITk and have to demonstrate good performance after being irradiated at high fluences. Several technological designs have been investigated, such as temporary metal biasing option and active edges which maximize the geometrical acceptance of the sensors. The optimization of b-tagging SV1 algorithm (a secondary-vertex based algorithm) will be pre- sented as well as a study on the extrapolation of b-tagging performances at high pT.

The ATLAS experiment is one of the two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider at CERN near Geneva. The goals of this particle physics experiment are the search for new physics phenomena and precision measurement of the particle interactions. Tilecal is the central hadronic calorimeter of the ATLAS. The calorimeter time calibration is important for the time-of-flight measurement of particles (used in some analyses) as well as for the actual energy reconstruction. 1