The Higgs boson and the top quark have been a focus in modern elementary particle physics research because of their special roles in the Standard Model (SM) of particle physics. The studies of both particles are crucial for revealing the unsolved puzzles of modern particle physics. The coupling between the Higgs boson and the top quark, the top-Yukawa coupling, is one of the fundamental parameters in the SM that can potentially direct the future development of the theory of elementary particle physics. This thesis presents two analyses on the Higgs boson and the top quark, using proton-proton (pp) collision data collected by the ATLAS detector during 2012 and 2015. A search for the SM Higgs boson produced in association with a top quark pair (tt̄H) was performed using 20.3 fb⁻¹ of pp collision data at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. The search is designed to be primarily sensitive to the H → bb decay mode. Events with one of two electrons or muons are used in the search. No significant excess of events is observed above the background predicted by the SM. An observed (expected) upper limit on the signal strength of 3.4 (2.2) times the SM prediction is obtained at 95% confidence level. The tt̄H signal strength, represented by the ratio of the measured tt̄H cross-section to the SM prediction, is found to be μ = 1.5 ± 1.1 for a Higgs boson mass of m_H = 125 GeV. A measurement of the top quark pair (tt̄) production cross-section was performed using 3.2 fb⁻¹ of pp collision data at √s = 13 TeV. The measurement uses events with an opposite-charge-sign electron-muon pair and exactly one and two jets originating from b quarks. The inclusive tt̄ production cross-section is measured to be σ_tt̄ = 818 ± 8(stat) ± 27(syst) ± 19(lumi) ± 12(beam) pb, where the uncertainties arise from data statistics, analysis systematic effects, the integrated luminosity and the LHC beam energy. The total relative uncertainty is 4.4%. The result is consistent with the theoretical prediction at the next-to-next-to-leading order accuracy in the strong coupling constant αs of QCD, with the resummation of next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) soft gluon terms. A fiducial cross-section corresponding to the experimental acceptance of leptons is also measured.

In this thesis, the search for the production of the Higgs boson in associationwith two top quarks is presented. The main focus of this work is on the analysis optimised for the decay of the Higgs boson to a b-quark pair. The analysis is performed using 36.1 fb−1 of ppcollision data at a centre of mass energy sqrt(s)=13 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The signal strength of ttH in relation to the Standard Model prediction for a Higgs boson with a mass of 125 GeV is measured to be mu(ttH) = 0.87 +0.64−0.61, with signal strengths greater than 2.0 excluded at the 95% confidence level. The combination of this analysis with searches targeting additional Higgs boson decay modes is subsequently presented. The measured signal strength in relation to the Standard Model prediction is mu(ttH) = 1.2 +/-0.3. This correspondsto an observed (expected) significance for ttH of 4.2sigma (3.8sigma), constituting evidence for the ttH production mode. Finally, a study into the ability to observe and model the colour connection of b-quarks in ttH(bb) and ttbar+jets events is presented. The jet pull angle observable is used to investigate the effect of colour connection on jet substructure. Such an observable is found to be sensitive to the underlying colour structure in events, showing differences between b-quarks which decay from a colour singlet in comparison to a colour octet. However, the effect is found to be small and a larger dataset is required to measure the effect in ttH events.

L'ajustement des differentes mesures electrofaibles dans le cadre du Modele Standard privilegie un boson de Higgs de faible masse egale a mH = 90 +36 -27 GeV, proche de la limite d'exclusion obtenue au LEP. La d´ecouverte du boson de Higgs a faible masse au LHC est difficile et nécessite la combinaison de plusieurs canaux. La production associ´ee du boson de Higgs avec une paire de quarks top, le boson de Higgs se désintegrant en une paire de quarks b (dominants pour mH <135 GeV), est l'une des signatures considérées. Ce canal permet d'accéder au couplage du Yukawa du top et du quark beau. Le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal est étudié avec l'expérience ATLAS. Plusieurs ingrédients sont cruciaux pour cette analyse: la reconstruction du systeme top anti-top avec une grande pureté, un excellent étiquetage des jets b et la connaissance du bruit de fond t ¯t+jets. Le d´etecteur a pixels est le sous-détecteur le plus important d'ATLAS pour l'étiquetage des jets b. En automne 2008, le d´etecteur ATLAS a été mis en service et étudie avec des muons cosmiques. La détermination des canaux morts, des constantes de calibrations et la prise en compte des données de contrôle du d´etecteur a pixels sont d´etaillées pour cette periode. Une ´etude pour d´eterminer puis masquer les pixels bruyants est ´egalement présentée. Finalement, l'efficacité de détection des pixels a été mesurée avec les muons cosmiques.

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Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

La découverte du boson de Higgs au LHC en 2012 est la plus récente confirmation de la validité du modèle standard, théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales. De nombreuses études ont été mises en place pour étudier les différentes caractéristiques de cette particule récemment découverte. Ce travail se concentre sur la recherche du processus ttH dans l’expérience ATLAS, pour réaliser une première mesure directe du couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre important dans les modèles de physique au-delà du modèle standard. La première partie de ce travail a porté sur l’automatisation de l’étalonnage du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur ATLAS (TileCal ) par un système laser. Une description de ce système qui permet un étalonnage régulier de toutes les cellules du calorimètre est tout d’abord présentée. Ensuite, l’algorithme d’automatisation de ce processus d’étalonnage, qui a été écrit lors de ce travail, est décrit. Le but final de cet algorithme est de faciliter et accélérer la correction des canaux dont le gain dérive. Une deuxième partie concerne la recherche du processus ttH par l’étude des états finals multi-leptons et particulièrement avec deux leptons de même charge électrique et au moins 4 jets dont 1 étiqueté b. L’estimation des bruits de fond instrumentaux et le traitement statistique réalisé sont décrits en détail dans le document pour deux versions de l’analyse. Une première version correspondant aux données de l’année 2015 et du début 2016, soit une luminosité intégrée de 13.2f b −1 de données, aboutit à une précision insuffisante pour conclure sur la présence du processus ttH. Une deuxième version de l’analyse, optimisée avec l’utilisation d’analyses multivariées sur l’ensemble des données 2015 et 2016, se conclut par une observation du processus ttH lors de la combinaison de l’ensemble des états finals ttH. La signification statistique observée est alors de 4.2σ pour une signification statistique attendue de 3.8σ. Ce résultat est donc en accord avec la prédiction du modèle standard. / Discovery of Higgs boson at LHC in 2012 is the most recent confirmation of the validity of Standard Model, theory describing elementary particles and their interactions. Many analysis now target the extraction of properties of the newly-discovered particle. A direct measurement in the ATLAS experiment of the top Yukawa coupling, one of these properties, is targeted in this work through ttH process. This coupling is of particular interest because of its strong sensitivity to New Physics. The first part of the work is about the automation of the calibration of the hadronic tile calorimeter of the ATLAS detector. A detailed description of the laser system used for a regular calibration of the calorimeter is done as well as of the calibration itself. Then more details on the algorithm written for the automation of the calibration are given. The final goal of this algorithm is to ease and fasten the calibration of channels with gain variation. The second part is dedicated to the search for ttH process through multilepton final states with emphasis on final state with two same-sign leptons, at least four jets and at least 1 b-tagged jet. Estimation of reducible backgrounds and statistical treatment of the analysis are detailed. A first version of the analysis with 13.2f b −1 , corresponding to 2015 and mid-2016 LHC data, ends with a final precision too low to extract any conclusion on the tt̄H process. In a second version of the analysis, improvements are made using multivariate analysis and adding more signal regions. The results from the multilepton analysis is combined with results from other ttH analysis, targeting other Higgs decays, to attain a final observed sentivity of 4.2σ. Thus an evidence for ttH production can be claimed from this combination. The final results give good agreement with Standard Model prediction.

L'experience ATLAS, installee au CERN, exploitera les collisions de protons du LHC pour approfondir le Modele Standard, et chercher d'éventuelles traces de nouvelle physique. L'une de ses tâches principales sera la recherche du boson de Higgs. Cette these décrit d'abord les derniers algorithmes d'etiquetage des jets b en date, et propose une methode de calibration basee sur les premieres donnees que le d´etecteur recueillera à partir de 2007. Puis l'hypothese d'un boson de Higgs de faible masse (mH < 135 GeV/c2) est consideree. Dans cette plage de masse, il devrait se désintegrer preferentiellement en une paire de quarks b. Le canal ttH a ete etudie pour la premiere fois en simulation détaillée, et avec les methodes d'etiquetage des jets b les plus récentes. Pour une luminosité integree de 30 fb−1 (trois ans de prise de données), le rapport S/pB caractérisant la sensibilité de cette analyse est 4,9, permettant une observation non ambigüe du boson de Higgs dans ce canal.

En Juillet 2012, les expériences ATLAS et CMS annoncent la découverte d'une nouvelle particule de masse 125 GeV, compatible avec le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Pour établir la nature de ce boson de Higgs et la comparer au Modèle Standard, il est nécessaire de mesurer le complage du boson de Higgs au fermions. En particulier le quark top possède le plus fort couplage de Yukawa avec le boson de Higgs. Ce couplage est accessible par le processus de production d'un boson de Higgs en association avec une paire de quarks tops (ttH). Cette thèse présente la recherche d'évènement ttH où le boson de Higgs se désintègre en deux quark b dans les données du Run 2 recueillies en 2015 et 2016 par le détecteur ATLAS. La composition du bruit de fond ainsi que la mesure du signal ttH dans les données sont obtenues à partir d'un ajustemement statistique des prédictions aux données. Le bruit de fond tt+jets étant la plus grande source d'incertitudes sur le signal, une attention particulière est portée à sa description.La détection des jets issus de quarks b, appelé b-tagging, est primordiale pour l'analyse ttH(H->bb) dont l'état final contient quatre quarks b. Afin d'améliorer la compréhension des performances des algorithmes de b-tagging pour le Run 2, la définition des jets de saveur b dans les simulations Monte Carlo est revisitée. Les algorithmes standards du b-tagging ne permettant pas la différenciation des jets contenant un ou deux quarks b, une methode spécifique à été développée et est présentée dans cette thèse. / In July 2012, the ATLAS and CMS experiments announced the discovery of a new particle, with a mass about 125 GeV, compatible with the Standard Model Higgs boson. In order to assess if the observed particle is the one predicted by the Standard Model, the couplings if this Higgs boson to fermions have to be measured. In particular, the top quark has the strongest Yukawa coupling to the Higgs boson. The associated production of a Higgs boson with a pair of top quarks (ttH) gives a direct access to this coupling. The ttH process is accessible for the first time in the Run 2 of the LHC thanks to an upgrade of the detector and the increase of the center of mass energy to 13 TeV. This thesis presents the search for ttH events with the Higgs boson decaying to a pair of b-quarks using data collected by the ATLAS detector in 2015 and 2016. The description of the background and the extraction of the ttH signal in data are obtained by a statistical matching on predictions to data. In particular the tt+jets background is the main limitation to signal sensitivity and is scrutinized.The identification of jets originating from b-quarks, called b-tagging, is a vital input to the search of ttH(H->bb) events because of the four b-quarks in the final state. For Run 2 the definition of b-flavoured-jets in Monte Carlo simulations is revisited to improve the understanding of b-tagging algorithms and their performance. Standard b-tagging algorithms do not separate jets originating from a single b-quark from those originating from two b-quarks. Thus a specific method has been developed and is reviewed in this thesis.

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