Ce travail de thèse porte sur différents aspects de la calorimétrie hadronique dans ATLAS. Il s'intéresse dans un premier temps aux photomultiplicateurs du calorimètre à tuiles scintillantes. Les 1000 premiers d'entre eux furent caractérisés auprès d'un banc de tests dédié. Les résultats présentés montrent que les mesures sont de très bonnes qualités et que les photomultiplicateurs choisis satisfont aux exigences de la collaboration. L'étude de leur implantation dans le calorimètre conduit alors à classer les photomultiplicateurs selon différents lots correspondants à différents types de cellules du calorimètre afin de répondre à l'ensemble des contraintes expérimentales. Retenue par la collaboration, la classification proposée est prise en compte dans l'assemblage du calorimètre. Cette thèse traite dans un second temps de la mesure des énergies des jets dans ATLAS. Sur la base d'une simulation complète de la réponse du détecteur, il montre tout d'abord que les méthodes d'étalonnage utilisées en faisceaux tests pour les pions peuvent être adaptées aux jets dans ATLAS. Il est ainsi possible de reproduire l'énergie de référence à moins de 1 % près tout en minimisant la résolution par rapport à cette dernière. Les résolutions obtenues sont compatibles avec les buts de la collaboration grâce notamment à une pondération des énergies des cellules permettant de tenir compte de la non-compensation des calorimètres. L'étalonnage in situ de la réponse du détecteur aux jets par l'intermédiaire des événements Z0+jet est alors envisagé. D'après l'analyse présentée, l'échelle absolue des énergies des jets et les résolutions sur les mesures des impulsions transverses des jets peuvent être déterminées respectivement à 1 % près, soit le but fixé par la collaboration, et à 1 GeV/c près en ne faisant appel qu'à des quantités mesurables, notamment pour corriger les effets des radiations dans l'état initial sur la contrainte en impulsion transverse utilisée.

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

The Large Hadron Collider at CERN is scheduled to undergo upgrades in 2026-2028 to significantly increase its luminosity. These upgrades, while providing the experiments with a higher collision rate, pose a number of challenges to the design of the hardware and software in the detectors. The Tile Calorimeter (a scintillating sampling calorimeter read out by photomultiplier tubes) at the ATLAS experiment will have its read-out electronics completely replaced to enable performance and reliability improvements.  Advances in electronics, new requirements due to the luminosity upgrade as well as lessons learned from the current readout scheme drove development with the goals to partition the readout into small independent units with full granularity readout and a robust mitigation strategy for radiation induced errors. To verify the functionality of the new system while retaining backward compatibility a "Demonstrator'' has been developed to emulate the current functionality while using new and improved hardware. The board responsible for managing digitized calorimeter data and communicating with the off-detector electronics, called the DaughterBoard, is the main focus of this thesis. It has two electrically isolated sides for redundancy where each side consists of voltage regulators, two optical transceivers, a GigaBit transceiver chip (for clocking and configuration) and a Kintex FPGA for data processing. In addition to data management and transmission, the FPGA (and every other component) needs to be able to withstand the effects of radiation both in terms of total dose (ionization and displacement damage) and due to single event effects. The DaughterBoard was developed with this in mind and has undergone several radiation tests during its development to verify reliability and fault tolerance. / CERN

En dépit de nombreuses confirmations expérimentales, le Modèle Standard, théorie décrivant les particules élémentaires et trois des interactions fondamentales souffre de difficultés théoriques et expérimentales. Ces dernières motivent l’existence d’une physique non décrite jusqu’alors : la Nouvelle Physique. Ce travail se focalise sur la recherche de gluons scalaires, appelés communément sgluons, nouvelles particules prédites dans plusieurs théories de Nouvelle Physique. Une étude phénoménologique considère les différents états finals (de un à quatre quarks top) et signatures (un ou deux leptons chargés) qui peuvent être engendrés par l’existence de sgluons. La sensibilité d’une expérience comme Atlas à ce signal est estimée et montre que l’un des états finals les plus prometteurs est celui contenant quatre quarks top, dans la signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique (électron ou muon). La recherche de sgluons dans l’expérience Atlas s’appuie sur les états finals à quatre quarks top dans une signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique, des jets étiquetés b et de l’énergie transverse manquante. Elle représente la première recherche mondiale de sgluons dans cet état final. Les principaux enjeux de l’analyse (estimation des bruits de fond, optimisation de la sélection, interprétation statistique) sont détaillés. La comparaison avec les données enregistrées pendant la première partie de l’année 2012 (L = 14:3 fb..1) ne montre pas d’excès significatif. La limite inférieure sur la masse du sgluon est alors de 0.80+0:02..0:03 TeV. L’extension de cette analyse avec le lot complet de données enregistrées en 2012 par Atlas est également présentée dans ce document et permet une sensibilité accrue jusqu’à des masses de sgluons de 0:94 0:03 TeV. Ce document présente également les analyses et résultats relatifs à des études de performances. La première s’attache au système de hautes tensions du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur Atlas (TileCal). Elle conclut notamment, au regard des critères établis, que seuls 7 canaux de hautes tensions du TileCal (sur un total de 9852) ont un comportement problématique. La deuxième étude est liée à la réjection de l’effet d’empilement au moyen d’une sélection sur la variable JVF (Jet Vertex Fraction). L’efficacité de cette sélection, calculée dans les données et dans la simulation montre des différences, nécessitant l’apport d’une correction à la simulation. La détermination de facteurs correctifs et de leurs incertitudes systématiques associées est présentée dans ce document. / Despite its experimental confirmations, the Standard Model, which describes both the elementary particles and three of the fundamental interactions, has some theoretical and experimental limitations. As a consequence of these limitations, a Physics not described in the context of the Standard Model could exist : the New Physics. This work focuses on the search for scalar gluons, commonly dubbed sgluons, predicted in various New Physics theories. A phenomenological study considers various final states (containing between two and four top quarks) and signatures (with one or two charged leptons) that could arise from sgluon production. The sensitivity of an Atlas-like experiment to this signal is estimated and the results indicate that one of the most promising final states contains four top quarks in a signature with two charged leptons (electron or muon) of the same electric charge. The search for sgluons within the Atlas experiment uses the previous results. Thus, it only investigates the 4-top topology in a signature containing two same-sign charged leptons, b-jets and missing transverse energy. It represents the first search ever for sgluons in this final state. The main steps of the analysis (background estimation, selection optimisation and statistical interpretation) are detailed. The comparison with the data recorded in the first months of 2012 (L = 14:3 fb..1) shows no significant excess and is interpreted in terms of a limit on the sgluon mass. The latter is found to be 0.80+0:02..0:03 TeV. The extension of this analysis to the full 2012 Atlas dataset is also presented in this document and shows an increased expected sensitivity to sgluon masses up to 0:94 0:03 TeV. Finally, this document also presents the analyses and results of performance studies. The first one is related to the high voltage system of the Atlas Tile Calorimeter (TileCal). The main conclusion is that only 7 channels out of the 9852 TileCal ones are fond to be problematic. The second study focuses on the rejection of the pile-up effect by the means of a selection applied on the so-called JVF (Jet Vertex Fraction) variable. The efficiency of this selection is computed both in data and simulation and shows some differences that have to be corrected in the simulation. The derivation of the correction factors and their associated systematic uncertainties is detailed in this document.

Cette thèse a pour but la recherche de Nouvelle Physique dans les événements à quatre quarks top en utilisant les données collectées dans les collisions proton-proton par l'expérience ATLAS au LHC. L'ensemble des données correspond à celui enregistré pendant tout 2011 à √s = 7 TeV et une partie de l'année 2012 à √s = 8 TeV. L'analyse est concentrée sur un état final avec deux leptons (des électrons et des muons) avec la même charge électrique. Cette signature est expérimentalement privilégiée puisque la présence de deux leptons avec le même signe dans l'état final permet de réduire le bruit du fond qui vient des processus du Modèle Standard. Les résultats sont interprétés dans le contexte d'une théorie effective à basse énergie, qui suppose que la Nouvelle Physique peut se manifester à basse énergie comme une interaction de contact à quatre tops droits. Dans ce contexte, cette analyse permet de prouver un type de théorie au delà du Modèle Standard qui, à basse énergie, peut se manifester de cette manière. Les bruits du fond pour cette recherche ont été estimés en utilisant des échantillons simulés et des techniques axées sur les données. Différentes sources d'incertitudes systématiques ont été considérées. La sélection finale des événements a été optimisée en visant à minimiser la limite supérieure attendue sur la section efficace de production des quatre tops si aucun événement de signal n'est trouvé. La région du signal a été ensuite examinée à la recherche d'un excès d'événement en comparaison avec le bruit du fond prévu. Aucun excès d'événement n'a été observé, et la limite supérieure observée sur la section efficace de production de quatre quarks top a été calculée. Ceci a permis de calculer la limite supérieure sur la constante de couplage C/lambda 2 du modèle. Une limite supérieure sur la section efficace de production de quatre tops dans le Modèle Standard a été aussi calculée dans l'analyse à √s = 8 TeV. En plus de l'analyse physique du signal de quatre tops, des études concernant le système d'étalonnage LASER du calorimètre Tile ont été présentées. Ces études sont liées au système des photodiodes utilisé pour mesurer l'intensité de la lumière dans le système LASER.

This thesis presents the search for New Physics in events with four top quarks using the data collected in proton-proton collisions by the ATLAS experiment at the LHC. The dataset corresponds to the one taken during all 2011 at √s = 7 TeV and a part of 2012 at √s = 8 TeV. The analysis focuses on a final state with two leptons (electrons and muons) with the same electric charge. This signature is experimentally favored since the presence of two same-sign leptons in the final state allows to reduce the background coming from Standard Model (SM) processes. The results are interpreted in the context of a low energy effective field theory, which assumes that New Physics at low energy can manifest itself as a four right-handed top contact interaction. In this context, this analysis allows testing a class of beyond-the-SM (BSM) theories which at low energy can manifest in this way. Backgrounds to this search have been estimated using simulated samples and data-driven techniques. Different sources of systematic uncertainties have been also considered. The final selection of events has been optimized by aiming at minimizing the expected upper limit on the four tops production cross-section in case of no signal events found. The signal region is then analyzed by looking for an excess of events with respect to the predicted background. No excess of events has been observed, and the observed upper limit on the four tops production cross-section has been computed. This limit is then translated to an upper limit on the coupling strength C=2 of the model. An upper limit on the four tops production cross-section in the SM has been also computed in the analysis performed at √s = 8 TeV. In addition to the physics analysis of the four tops signal, some studies about the LASER calibration system of the ATLAS Tile calorimeter are presented. In particular, they are related to the photodiodes system used to measure the intensity of the laser light in the LASER system.

Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire le comportement des particules et leurs interactions. L’une d’elles, le quark top, est la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété lui confère un rôle privilégié dans les théories dites de Nouvelle Physique, il pourrait se coupler préférentiellement aux nouvelles particules prédites par ces modèles.Cette thèse a été menée auprès du détecteur ATLAS installé au LHC. La première partie de ce travail a porté sur l’étalonnage du calorimètre hadronique, une partie du détecteur servant entre autres à mesurer l’énergie des hadrons produits lors des collisions. Ce calorimètre est étalonné grâce à un système laser, qui envoie des pulses de lumière dans les 9852 canaux du calorimètre. Cette étude a permis de corriger les canaux dont le gain dérive en appliquant des facteurs correctifs aux données. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la recherche d’évènements à deux quarks top de même charge. La topologie avec deux leptons de même charge permet d’avoir une signature claire et présente peu de bruits de fond prédits par le Modèle Standard. Deux versions de l’analyse sont présentées : l’une avec une partie des données enregistrées par ATLAS en 2012, la deuxième plus optimisée avec le lot complet de données de 2012. Ces optimisations ont améliorées d’un facteur 3 la sensibilité sur le signal. N’ayant pas observé d’excès dans les données, une limite sur la section efficace de production d’évènements à deux quarks top de même charge a été calculée dans le cadre de deux modèles effectifs. / The Standard Model of particle physics is used to describe the behavior of the particles and their interactions. One of them, the top quark, is the heaviest elementary particle. This property gives it a favored role in the New Physics theories, it could interact preferentially with new particles predicted by these models.This thesis was performed using the ATLAS detector at LHC. The first part of this work was on the calibration of the ATLAS hadronic calorimeter, part of the detector which is used to measure the energy of the hadrons produced during the collisions. The hadronic calorimeter is calibrated with a laser system, which sends pulses to the 9852 calorimeter’s channels. With this study, drifting channels were corrected by applying correction factors on the data.The second part of this thesis was dedicated to the search of events with two same-sign top quarks. The topology with a same-sign dilepton pair is used to have a clear signature and show only a few Standard Model backgroud processes. Two versions of this analysis are discussed : one of them with a part of the data collected in 2012 and the other one, with a lot of optimizations and with the complete dataset of 2012. These optimizations permits to improve the sensitivity of the signal by a factor 3. Without any excess observed in the data events, it is possible to calculate a limit on the cross section of the same-sign top quarks pair and interpreted in the case of two effective models.