Rozprawy doktorskie na temat „Higgs boson phenomenology”

Suite à la découverte du boson de Higgs en Juin 2012 au Large Hadron Collider, l’accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse, l’étude du secteur scalaire des particules élémentaires a connu un regain d’intérêt. En particulier, le boson de Higgs étant une particule clef au sein du Modèle Standard des particules, les expérimentateurs étudient ses propriétés avec beaucoup de soin.Le Modèle Standard, dont le but est de décrire les interactions entre particules élémentaires, n’est cependant pas une théorie complète. En effet, en plus de quelques problèmes d’ordre théorique, certains phénomènes observés expérimentalement ne peuvent pas être expliqués par ce modèle. Les théoriciens en physique des particules cherchent donc à établir une nouvelle théorie venant le compléter et permettant d’expliquer pleinement les observations expérimentales.Cette thèse est axée sur l’étude du secteur scalaire de modèles au-delà du Modèle Standard des particules. J’ai plus particulièrement travaillé sur un modèle à deux doublets de Higgs – modèle purement effectif mais qui peut être inclus dans d’autres théories plus abouties – ainsi que sur un modèle construit comme une combinaison entre les théories déjà très proches de techicouleur et de Higgs composites, et ce dans le cas particulier d’une brisure de symétrie SU (4) ? Sp(4). J’ai étudié ce dernier modèle d’un point de vue effectif mais la théorie complète est capable depallier un certain nombre des limitations du Modèle Standard.Chacun de ces modèles inclut un secteur scalaire plus riche que celui du Modèle Standard et contient au moins une particule pouvant être assimilée au boson de Higgs découvert au LHC. J’ai réalisé l’étude phénoménologique de chacun de ces modèles et les ai confrontés à des contraintes tant théoriques qu’expérimentales – en particulier celles obtenues grâce aux études les plus récentes, portant sur le boson de Higgs et sur de potentielles particules scalaires additionnelles, réalisées par les équipes du LHC. Cela m’a permis de contraindre les paramètres libres des modèles et en particulier de restreindre les valeurs possibles pour la masse des autres particules scalaires, permettant de mieux cibler les zones où ces nouvelles particules, si elles existent, pourraient être détectées au LHC.Ces deux théories, bien que très contraintes par les données expérimentales, ne sont toujours pas exclues par les contraintes expérimentales les plus récentes
Following the discovery of the Higgs boson in June 2012 at the Large Hadron Collider, the particle collider located beneath the France-Switzerland border, interest in the study of the scalar sector in elementary particle physics significantly increased. In particular, as the Higgs boson plays a very special role in the Standard Model of particle physics, experimentalists study its properties with great care.The goal of the Standard Model is to describe the interactions between elementary particles. However the theory is not quite complete. Indeed, in addition to some purely theoretical problems, a number of experimental observations cannot be explained by the Standard Model. Theorists are therefore looking for a more comprehensive theory able to fully explain the observations.This thesis is based on the study of the scalar sector of two different extensions of the Standard Model of particle physics. I have worked on the Two-Higgs Doublet Model – this model is purely effective but can be included in more comprehensive theories – as well as on a model based on a combination of Technicolor and Composite Higgs theories in the framework of the SU (4) ? Sp(4) symmetry breaking pattern. I studied the latter via an effective approach but the full theory is able to get rid of some of the pitfalls of the Standard Model.These two models include a scalar sector that is richer than the one found in the Standard Model and contain at least one particle which can be assimilated to the Higgs boson discovered at the LHC.I performed a phenomenological study for these two models and tested them against both theoretical and experimental constraints. In particular I used the latest studies on the 125 GeV Higgs boson and on possible additional scalars performed by the ATLAS and CMS collaborations. The application of all these constraints drastically reduced the available parameter space of the two models. In particular it narrowed the possible mass range of the additional scalars, allowing to know more accurately where to search them experimentally in order to prove or rule out their possible existence.As of today the two theories I worked on are still not excluded by the latest experimentaldata

After a brief description of the Standard Model of Particle Physics, we introduce the Hierarchy Problem and its possible resolutions. Among several possibilities we choose two protection mechanisms that realize a Natural Fermi scale: Composite Higgs and Supersymmetry. Our aim is to consider realistic natural models for the Fermi scale and compare them with the experimental data coming (mainly) from precision measurements. In the case of Composite Higgs, we discuss the ne tuning needed to realize a successful electro-weak symmetry breaking and accommodate a 125 GeV Higgs. Composite Higgs can naturally explain such light mass if new coloured fermions with the same quantum numbers of the top are below or at 1000 GeV. Direct searches are starting to probe the natural region of this kind of models. However, there are strong constraints on this picture coming from electro-weak and avour tests. Although non trivially, it is possible to satisfy the bounds if appropriate representations of the composite fermions are chosen and an approximate U(2)3 flavour symmetry is at work. The Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) experiences a significant finetuning because a 125 GeV Higgs boson is too heavy to be obtained naturally. After a brief review of the MSSM and a discussion of its Higgs sector, we consider the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM). The NMSSM provides a 125 GeV Higgs boson with milder tuning and it also mitigates naturalness upper bounds on stops and gluinos, which start to be strongly constrained from below by direct searches. Another relevant aspect of the NMSSM is the suggestion that the lightest new particles could be the CP-even scalars of its extended Higgs sector. This possibility can be efficiently constrained from the measurements of the Higgs mass and branching ratios at LHC. In many cases the Higgs fit is an important constraint, competitive with direct searches. When these constraints are absent we outline possible strategies for future experimental searches. We conclude with a brief summary and comment on the relative importance of electroweak and Higgs precision measurements in the models discussed in the thesis.

In this thesis two different aspects of Standard Model Higgs boson phenomenology at hadron colliders are addressed. A precise theoretical knowledge of production cross sections is needed in order to assist in the Higgs boson search efforts of the experimental community. Consequently, the next-to-leading-order electroweak corrections to Higgs boson production in association with a vector boson at hadron colliders have been calculated. Significant corrections were found, and theoretical uncertainties were analysed. In addition to production cross sections, a deep knowledge of background processes is also needed, especially at hadron colliders. The gluon-induced contributions to offshell W-boson pair production have been calculated. The invariant amplitude has been used to calculate the contribution from gluon initiated processes to the non-resonant W-boson pair production background to the Higgs boson search channel at the CERN LHC. These contributions are evaluated in the approximation of massless quarks circulating the loops. These results were used to study the effect of experimental cuts proposed to increase the signal to background ratio of the above mentioned search channel.

The Higgs sector is the last part of the standard model of particle physics where we lack directexperimental results. Many extensions to the standard model describe an extended Higgs sector,often containing charged scalar bosons in addition to the standard model’s neutral Higgs boson.The H+WZ vertex can be used to distinguish between different non-standard Higgs sectors, andto measure the mass of the charged Higgs boson. In this report I will examine a promising searchchannels at the LHC and look at its phenomenology using monte carlo simulations.

After a long history of searches, a Higgs boson H was discovered by the ATLAS and the CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012. Its properties fit well the ones predicted by the Standard Model (SM) of particle physics. However, the SM can not explain other established properties of Nature, such as the existence of Dark Matter. For this reason, models beyond the SM should be considered. Such models often predict the existence of several Higgs bosons and this thesis explores some of those models. In particular, the possibility to discover a charged Higgs boson, which would be a clear sign of physics beyond the SM, is studied. A commonly studied extension of the SM is the framework of two-Higgs-doublet models (2HDMs), where there are five Higgs bosons. By confronting the parameter spaces of some 2HDMs with publically available data from the LHC, the prospects for finding the 2HDM Higgs bosons is presented through the calculation of production cross sections and decay branching ratios in various channels. A new kind of 2HDM, called the Stealth Doublet Model is presented and the properties of the Higgs bosons are studied. In this model, it is shown that in particular the properties of the charged Higgs boson H± have new features not exhibited in earlier studied models. Within the parameter space compatible with the LHC results, the production cross section for H± can be sizeable enough to be experimentally observed. Finally, the discovery prospects at the LHC, for a H± in the pp → tH± process, with the decays H± → HW± and H → bb, is studied in various models beyond the Standard Model. It is shown that for the supersymmetric models, this channel is beyond the discovery reach of the LHC. In some of the other studied models, in particular the Aligned 2HDM, the situation is improved and the channel is feasible.

Avec la découverte en juillet 2012 par les collaborations CMS et ATLAS d'un nouveau scalaire, aux propriétés similaires à celles d'un boson prédit plus de 50 ans auparavant, la phénoménologie au-delà du modèle standard (SM) a fait un grand pas. En effet, la découverte de cette pièce manquante du puzzle électrofaible a rendu certains modèles impossibles, tout en renforçant la crédibilité du SM. Cependant, on sait que le SM n'est pas le mot de la fin, car certaines de ses prédictions ne s'accordent pas avec les expériences, et ce boson est donc vu comme une porte vers de nouveaux secteurs de la physique. Après une introduction au SM et aux statistiques de la physique des particules, nous présenterons un paramétrage des couplages mesurés au LHC, afin de contraindre, via ces couplages, des modèles de physique au-delà du SM, plus fondamentaux. Ce paramétrage, s'intéressant particulièrement aux couplages à boucles, permettrait de lever une corrélation existant entre les paramètres actuellement utilisés. Nous étudierons ensuite la possibilité d'existence d'un scalaire, plus léger que celui observé, et ayant échappé aux recherches passées, et de sa recherche au LHC à l'aide de ce paramétrage. Nous donnerons des exemples de paramètres faisant apparaître un tel scalaire, dans le 2HDM et le NMSSM. Enfin, nous verrons que le scalaire peut influencer la production d'une paire de bosons de jauge faible, et qu'à l'aide de notre paramétrage, l'analyse de ce processus peut être utilisée de manière cohérente avec les mesures au pic de masse pour contraindre ces couplages. Nous finirons avec quelques limites de cette approche, ainsi que des propositions d'améliorations
With the discovery of a new particle in July 2012 by the CMS and ATLAS experiments, with properties resembling those of a boson predicted about 50 years earlier by theorists, the search for physics outside of the standard model of particle physics (SM) has made a big step. Indeed, the existence of this piece of the electroweak symmetry breaking proved wrong many theories, while giving more credit to the SM. However, because of some observations it fails to match, we know the SM cannot be the final word, and it is hoped that the study of this new particle will be a path to new sectors of physics. After a brief description of the SM and of the statistics of particle physics, we will present a way to parametrise the couplings measured at CERN, in order to constrain, through these couplings, more fundamental models describing physics beyond the standard model. This parametrisation, focusing on loop-induced couplings, would allow to lift a correlation existing between parameters currently used by experimentalists. We will then study the feasibility of a search for another scalar, lighter than the one discovered and which would have escaped previous searches, through the use of the same parametrisation. In two models, the 2HDM and the NSSSM, values of parameters yet unconstrained are shown.Finally, we will see that this scalar can also influence the joint production of two weak gauge bosons. We will show that the analysis of this process can be used in a coherent manner with on-shell Higgs measurements to constrain its couplings through our parametrisation. We will then end with a brief look at some limitation of this approach, before suggesting ways to overcome them

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.

Il y a près de deux décennies, l'utilisation des modèles à dimensions supplémentaires pour résoudre le problème de hiérarchie des théories de jauge a reçu beaucoup d'attention, au travers d'élégantes propositions : des dimensions supplémentaires (DS) étendues et plates - le modèle d'Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali, ou ADD - ainsi que des DS courbées - le modèle de Randall-Sundrum, ou RS. Dans cette thèse, nous discutons plusieurs modèles inspirés de tels scénarios extra-dimensionnels. Pour commencer, nous introduisons des éléments-clés de la théorie des champs en cinq dimensions, et nous montrons comment de tels scénarios apportent une réponse au problème de hiérarchie. Ensuite, dans une première partie, nous adoptons une approche ``de bas en haut'' et étudions plusieurs modèles contenant des fermions vectoriels (FV), prédits génériquement dans les modèles de DS. Nous montrons qu'en ajoutant des quarks vectoriels (QV) au Modèle Standard (MS), on peut expliquer en même temps les anomalies (i) d'asymétrie avant-arrière des quarks b, mesurée au Large Electron-Positron collider (LEP) et (ii) de section efficace de production de tth mesurée au Large Hadron Collider (LHC). En utilisant des rapports de taux de désintégration du Higgs, nous estimons aussi la sensibilité du LHC amélioré, le LHC à haute luminosité, à la présence de QV. Puis nous considérons un modèle à deux doublets de Higgs (2HDM), accompagné de leptons vectoriels (LV) pour expliquer le mystérieux excès à 750 GeV observé au LHC fin 2015. Dans un modèle similaire, nous expliquons également l'abondance de matière sombre (MS) dans l'Univers, notre candidat pour la MS étant un LV neutre, stabilisé par une symétrie Z2 appropriée. Par la suite, dans une deuxième partie de la thèse, nous nous penchons sur le scénario plus concret des DS courbées dotées d'une symétrie custodiale dans l'espace cinq-dimensionnel, qui protège le modèle vis-à-vis de larges corrections électrofaibles. Dans ce cadre, nous interprétons tout d'abord la bosse à deux bosons observée à 2 TeV au LHC comme une superposition de bosons de jauge de Kaluza-Klein, produits en canal s. Dans un deuxième temps, nous étudions la phénoménologie du secteur scalaire du modèle susdit, qui mêle le Higgs et le radion. En particulier, nous estimons la sensibilité du LHC et d'un futur collisionneur électron-positron (l'International Linear Collider - ILC) à l'existence d'un radion, via la production de celui-ci en association avec un boson Z
Almost two decades ago, the paradigm of extra-dimensional models addressing the gauge hierarchy problem attracted much attention through the elegant proposals of large, flat extra dimensions (EDs) - the Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali or ADD model - and warped EDs - the Randall-Sundrum or RS model. In this thesis, we discuss several models inspired from such extra-dimensional scenarios. We start by introducing some key elements of field theory in five space-time dimensions and showing how such scenarios provide a solution to the hierarchy problem. Afterwards, in a first part of this work, we adopt a bottom-up approach and study several models containing Vector-Like Fermions (VLFs), which are typically predicted in ED frameworks. We show how adding Vector-Like Quarks (VLQs) to the Standard Model (SM) allows one to simultaneously explain the anomalies in the (i) b-quark forward-backward asymmetry measured at the Large Electron-Positron collider (LEP) and (ii) the tth production cross section measured at the Large Hadron Collider (LHC). Using the so-called Higgs decay ratios, we also estimate the sensitivity of the upgraded LHC, the High-Luminosity LHC, to the presence of VLQs. Then, we consider a Two-Higgs Doublet Model (2HDM) extended with Vector-Like Leptons (VLLs) in order to fit the mysterious 750 GeV excess observed at LHC in late 2015. Within a similar model, we also explain the Dark Matter (DM) abundance in the Universe, our DM candidate being a neutral VLL, which is rendered stable by a suitable Z2 symmetry. Later on, in a second part of the thesis, we focus on the more concrete warped ED scenario endowed with a bulk custodial symmetry, which protects the model from large electroweak (EW) corrections. In this framework, we first interpret the 2 TeV diboson bump observed at LHC in 2015 as a superposition of Kaluza-Klein (KK) gauge bosons produced in the s-channel. Afterwards, we study the phenomenology of the mixed Higgs-radion scalar sector of the aforementioned model. In particular, we estimate the sensitivity of the LHC and of a future electron-positron collider (the International Linear Collider - ILC) to the existence of a radion via its production in association with a Z boson

The Standard model of particle physics provides a successful theory to understand the experimental results of the electroweak and strong interactions. However, it does not have a satisfactory explanation for the hierarchy problem. Many extensions of the Standard Model that solve the hierarchy problem result in new particles. We will study the phenomenology of vector-like fermions resulting in theories where the Higgs boson is typically a pseudo-Nambu-Goldstone boson. In these theories we study the case where a heavy fermion will be heavier than a heavy gluon, and then the channel of a heavy fermion decaying into a color octet is considered. We study this phenomenology at high energy colliders, both the LHC as well as future machines.
O modelo padrão de física de partículas fornece uma teoria bem-sucedida para entender os resultados experimentais das interações eletrofracas e fortes. No entanto, não tem uma explicação satisfatória para o problema de hierarquia. Muitas extensões do Modelo Padrão que resolvem o problema hierarquia resultam em novas partículas. Estudaremos a fenomenologia de férmions vetoriais resultando em teorias onde o bóson de Higgs é tipicamente um bóson pseudo-Nambu-Goldstone. Nessas teorias, estudaremos o caso em que um férmion pesado será mais pesado do que um glúon pesado, e então o canal de um férmion pesado decaindo em um octeto de cor é considerado. Estudamos esta fenomenologia em colisores de alta energia, tanto para o LHC quanto as futuras máquinas.

Grâce à l'exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S'inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d'une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d'exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l'unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l'invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l'ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d'une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider.

La découverte d'une particule similaire au boson de Higgs, dernière pièce manquante du Modèle Standard (MS) de la physique des particules élémentaires, est en voie d'être confirmée par les expériences CMS et ATLAS du Large Hadron Collider du CERN. Cependant, il n'est pour le moment pas encore établit que les caractéristiques de la particule observée correspondent aux prédictions du MS. Cela, associé à d'autres observations (Matière Noire,...), motive l'analyse des extensions supersymétriques du MS comme le NMSSM. Nous étudions dans cette thèse la solution au problème de la hiérarchie des échelles d'énergie dans le NMSSM, lié aux divergences quadratiques de la masse du boson de Higgs, ainsi que la phénoménologie du NMSSM avec une brisure de la supersymétrie par interactions de jauge en tenant compte des dernières données du LHC. Enfin, nous détaillons les développements des codes de NMSSMTools effectués au cours de cette thèse~: l'introduction de Chaînes de Markov, le calcul du Fine Tuning, le calcul des cascades de désintégrations des partenaires supersymétriques en particules du MS et l'implémentation du NMSSM général
The discovery of a particle similar to the Higgs boson predicted by the Standard Model (SM) of particle physics has been confirmed by the experiments CMS and ATLAS of the Large Hadron Collider at the CERN. However, it is not yet clear that the properties of this particle are those predicted by the SM. This, in addition with several other observations (Dark Matter,...), is a motivation for analysing supersymmetric extensions of the SM, as the NMSSM. We study in this thesis the solution of the Hierarchy problem in the NMSSM, linked with the quadratic divergences in the Higgs sector, and also the phenomenology of the NMSSM with gauge mediation supersymmetry breaking in the light of the latest data from the LHC. Finally, we present the developments made in the codes of the package NMSSMTools, featuring Monte Carlo Markov Chain methods, Fine Tuning calculus, the calculus of supersymmetric particle's cascade decays and the implementation of the general NMSSM

On se place dans le cadre des modèles à dimension supplémentaire courbe adressant le problème de hiérachie de jauge. On considère ainsi le scenario suggéré par Randall et Sundrum sous l'hypothèse habituelle d'une symétrie de jauge custodiale étendue à l'espace total à 5 dimensions, permettant de protéger le modèle de trop larges corrections dans le secteur électrofaible, où le champ de Higgs est indépendament localisé sur ce qui est appelée la TeV-brane. Après avoir revu les bases de théorie des champs en dimensions supplémentaires, on introduit le cadre théorique des modèles RS, nous exposons en détail la construction de notre modèle phénoménologique, ainsi que les effets engendrés par la brisure de symétrie électrofaible sur notre modèle. Nous déterminons ensuite les diverses représentations minimales des multiplets de quarks sous la symétrie custodiale permettant de résoudre l'anomalie sur l'asymétrie avant-arrière du quark bottom. Il est ensuite montré en detail qu'il existe de fortes corrections à la valeur moyenne dans le vide du Higgs induites par de forts mélanges des bosons de jauge Z et W avec leurs exitations de KK. Le lien avec les tests de précision électrofaible est développé. Nous trouvons ainsi de substancielles corrections dûes à RS aux divers couplages au Higgs, pouvant affecter sa phénoménologie. La fin de cette thèse est dédiée aux extensions SupersSymétriques des modèles à dimension supplémenaire courbe, le champ de Higgs étant toujours confiné sur la TeV-brane
Ln the framework of warped extra dimension models addressing the gauge hierarchy problem, we consider the Randall-Sundrum scenario under the usual hypothesis of a bulk custodial symmetry protecting the model from large ElectroWeak corrections together with a Higgs field localized on the so-called TeV-brane. After reviewing the basics of field theory in extra dimensions, we introduce the RS framework, and show in details the construction of our phenomenological model as well as the effects of EW symmetry breaking. We determine the several minimal quark representations allowing to address the anomalies in the forward-backward b-quark asymmetry. It is then shown in details that there can exist large corrections to the Higgs boson Vacuum Expectation Value induced by mixings of the gauge bosons with their KK excitations. The connection with EW precision tests is developed. We find possibly substantial RS corrections to the various Higgs couplings able to affect its phenomenology. The end of this thesis is dedicated to SuperSymmetric extension of warped models, the Higgs field still being confined on the TeV-brane

Cette thèse, conduite dans le contexte de la recherche du boson de Higgs, dernière pièce manquante du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et qui est une des plus importantes recherches auprès des collisionneurs hadroniques actuels, traite de la phénoménologie de ce boson à la fois dans le Modèle Standard (SM) et dans son extension supersymétrique minimale (MSSM). Après un résumé de ce qui constitue le Modèle Standard dans une première partie, nous présenterons nos prédictions pour la section efficace inclusive de production du boson de Higgs dans ses principaux canaux de production auprès des deux collisionneurs hadroniques actuels que sont le Tevatron au Fermilab et le grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, en commençant par le cas du Modèle Standard. Le principal résultat présenté est l'étude la plus exhaustive possible des différentes sources d'incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul : les incertitudes d'échelles vues comme une mesure de notre ignorance des termes d'ordre supérieur dans un calcul perturbatif à un ordre donné, les incertitudes reliées aux fonctions de distribution de partons dans le proton/l'anti--proton (PDF) ainsi que les incertitudes reliées à la valeur de la constante de couplage fort, et enfin les incertitudes provenant de l'utilisation d'une théorie effective qui simplifie le calcul des ordres supérieurs dans la section efficace de production. Dans un second temps nous étudierons les rapports de branchement de la désintégration du boson de Higgs en donnant ici aussi les incertitudes théoriques qui pèsent sur le calcul. Nous poursuivrons par la combinaison des sections efficaces de production avec le calcul portant sur la désintégration du boson de Higgs, pour un canal spécifique, montrant quelles en sont les conséquences intéressantes sur l'incertitude théorique totale. Ceci nous amènera à un résultat significatif de la thèse qui est la comparaison avec l'expérience et notamment les résultats des recherches du boson de Higgs au Tevatron. Nous irons ensuite au-delà du Modèle Standard dans une troisième partie où nous donnerons quelques ingrédients sur la supersymétrie et sa mise en application dans le MSSM où nous avons cinq bosons de Higgs, puis nous aborderons leur production et désintégration en se focalisant sur les deux canaux de production principaux par fusion de gluon et fusion de quarks $b$. Nous présenterons les résultats significatifs quant à la comparaison avec aussi bien le Tevatron que les résultats très récents d'ATLAS et CMS au LHC qui nous permettront d'analyser l'impact de ces incertitudes sur l'espace des paramètres du MSSM, sans oublier de mentionner quelques bruits de fond du signal des bosons de Higgs. Tout ceci va nous permettre de mettre en avant le deuxième résultat très important de la thèse, ouvrant une nouvelle voie de recherche pour le boson de Higgs standard au LHC. La dernière partie sera consacrée aux perspectives de ce travail et notamment donnera quelques résultats préliminaires dans le cadre d'une étude exclusive, d'un intérêt primordial pour les expérimentateurs.

Il a longtemps été pensé que le modèle standard (MS) est une description incomplète de notre univers, mais les résultats expérimentaux obtenus jusqu'à présent ne confirment rien de plus. La supersymétrie minimale, concrétisée par le modèle standard supersymétrique minimal (MSSM), est une extension compétitive du MS et a été bien étudiée, en particulier dans le contexte de modèles simplifiés, au niveau des collisionneurs. Cependant, les techniques de recherche actuelles n'utilisent peut-être pas de manière optimale la capacité du collisionneur à tester l'espace de paramètre accessible. Au lieu d'utiliser un veto statique sur le momentum du jet pour minimiser les processus d'arrière-plan indésirables dans les recherches de signaux, il peut être démontré que l'utilisation d'un veto au jet dynamique construit à partir de plusieurs mesures d'activité hadronique et leptonique peut augmenter le potentiel de découverte des balayages MSSM simplifiés. Dans le même temps, il est indéniable que les limites imposées aux modèles simplifiés ne représentent pas fidèlement des scénarios plus complexes - en particulier les modèles de supersymétrie non minimaux dans lesquels les signatures de désintégration sont modifiées par un spectre plus complexe de chargino et de neutralino. Les gauginos de Dirac (DG) constituent une extension non minimale bien motivée qui semble plus plausible que le MSSM, qui est de plus en plus constraint par les observations. Ce travail peut être divisé en deux parties: (1) il étudie comment le contenu en particules élargi des modèles DG peut modifier les limites actuelles de la masse de gluino et de squark du Run 2 du LHC, et (2) effectue une étude approfondie du secteur de Higgs dans de tels modèles, qui est automatiquement aligné en raison de la supersymétrie étendue qui relie les couplages de Yukawa aux couplages de jauge dans le secteur électrofaible
It has long been thought that the Standard Model (SM) is an incomplete description of our universe, yet experimental results thus far do not confirm anything beyond it. Minimal supersymmetry, embodied by the minimal supersymmetric standard model (MSSM), is a competitive extension of the SM and has been well investigated, especially in the context of simplified models, at colliders. However, current search techniques may not be making optimal use of the collider's ability to test the accessible parameter space. Instead of using a static veto on jet momentum to minimise undesirable background processes in signal searches, it can be shown that employing a dynamic jet veto constructed out of several measures of hadronic and leptonic activity can heighten the discovery potential of simplified MSSM scans. At the same time, it cannot be denied that the limits placed on simplified models are not a true representation of more complex scenarios - especially non-minimal supersymmetry models where decay signatures are altered by a more complex chargino and neutralino spectrum. Dirac gauginos (DG) are a well-motivated non-minimal extension that restore the naturalness being lost by the ever more stringent constraints on the MSSM. Here this work looks down two avenues: it (1) investigates how the enlarged particle content of DG models can lead to altered bounds on current gluino and squark mass limits from Run 2 of the LHC, and (2) makes an in depth study of the Higgs sector in such models, which is automatically aligned owing to extended supersymmetry that links the Yukawa couplings to the gauge couplings in the electroweak sector

Les modèles SU(2)xSU(2)xU(1) représentent une étape intermédiaire motivée par l'unification des groupes de jauge du Modèle Standard (MS). Un groupe de jauge étendu, par rapport a celui du MS, implique l'existence de nouveaux bosons de jauge, neutres et charges. Ces bosons dénotés Z' et W' sont recherches activement au Large Hadron Collider (LHC). Sur la base d'une analyse globale récente des contraintes sur ces modèles, provenant des expériences a basse énergie et du LEP, nous effectuons une analyse numérique au Leading Order (LO) des différentes signatures au LHC. Nous montrons que les sections efficaces totales pour les leptons et les paires de quarks de troisième génération, expérimentalement facilement accessibles, fournissent individuellement qu'uneinformation partielles sur le modèle réalise dans la nature. En revanche, les corrélations de ces mêmes sections efficaces pourraient bien conduire a une identification unique. Par la suite, nous étudions la production électrofaible d'une paire de quarks top au Next-to-Leading Order dans les extensions du MS prédisant un boson Z' supplémentaire et en supposant des couplages génériqueset diagonaux dans la base des saveurs. Nous calculons les corrections virtuelles et réelles a l'ordre de O(alS*alW^2) et les implémentons dans le générateur d'événements Monte Carlo POWHEG BOX qui permet de réaliser de manière cohérente la fusion du calcul QCD NLO avec les parton showers. Nousconstatons que les corrections QCD NLO peuvent être très importantes, mais que les K-facteurs restent modestes dans la région de masse invariante centrée autour de la masse de la résonance
General SU(2)x SU(2)x U(1) models represent a well-motivated intermediate step towards the unication of the Standard Model (SM) gauge groups. Extended gauge group sector, as compared to that of the SM, leads to additional neutral and charged gauge bosons. These so-called Z' and W' bosons are actively searched for at the Large Hadron Collider (LHC). Based on a recent global analysis of low-energy and LEP constraints of these models, we perform numerical scans of their various signals at the LHC at Leading Order accuracy. We show that total cross sections for lepton and third-generation quark pairs, while experimentally easily accessible, provide individually only partial information about the model realized in Nature. In contrast, correlations of these cross sections in the neutral and charged current channels may well lead to a unique identification. Subsequently we study the electroweak top-pair production at Next-to-leading Order (NLO) accuracy in the SM extensions with an additional Z' boson assuming general flavour-diagonal couplings. We calculate the virtual and real corrections at order O(alS*alW^2) and implement them in the POWHEG BOX framework which allows for consistent matching of NLO QCD calculations with parton showers. We find that the NLO corrections can be very important but the K-factors in the invariant mass region around the resonance mass are modest

Suite à la découverte du boson de Higgs en Juin 2012 au Large Hadron Collider, l’accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse, l’étude du secteur scalaire des particules élémentaires a connu un regain d’intérêt. En particulier, le boson de Higgs étant une particule clef au sein du Modèle Standard des particules, les expérimentateurs étudient ses propriétés avec beaucoup de soin.Le Modèle Standard, dont le but est de décrire les interactions entre particules élémentaires, n’est cependant pas une théorie complète. En effet, en plus de quelques problèmes d’ordre théorique, certains phénomènes observés expérimentalement ne peuvent pas être expliqués par ce modèle. Les théoriciens en physique des particules cherchent donc à établir une nouvelle théorie venant le compléter et permettant d’expliquer pleinement les observations expérimentales.Cette thèse est axée sur l’étude du secteur scalaire de modèles au-delà du Modèle Standard des particules. J’ai plus particulièrement travaillé sur un modèle à deux doublets de Higgs – modèle purement effectif mais qui peut être inclus dans d’autres théories plus abouties – ainsi que sur un modèle construit comme une combinaison entre les théories déjà très proches de techicouleur et de Higgs composites, et ce dans le cas particulier d’une brisure de symétrie SU (4) ? Sp(4). J’ai étudié ce dernier modèle d’un point de vue effectif mais la théorie complète est capable depallier un certain nombre des limitations du Modèle Standard.Chacun de ces modèles inclut un secteur scalaire plus riche que celui du Modèle Standard et contient au moins une particule pouvant être assimilée au boson de Higgs découvert au LHC. J’ai réalisé l’étude phénoménologique de chacun de ces modèles et les ai confrontés à des contraintes tant théoriques qu’expérimentales – en particulier celles obtenues grâce aux études les plus récentes, portant sur le boson de Higgs et sur de potentielles particules scalaires additionnelles, réalisées par les équipes du LHC. Cela m’a permis de contraindre les paramètres libres des modèles et en particulier de restreindre les valeurs possibles pour la masse des autres particules scalaires, permettant de mieux cibler les zones où ces nouvelles particules, si elles existent, pourraient être détectées au LHC.Ces deux théories, bien que très contraintes par les données expérimentales, ne sont toujours pas exclues par les contraintes expérimentales les plus récentes
Following the discovery of the Higgs boson in June 2012 at the Large Hadron Collider, the particle collider located beneath the France-Switzerland border, interest in the study of the scalar sector in elementary particle physics significantly increased. In particular, as the Higgs boson plays a very special role in the Standard Model of particle physics, experimentalists study its properties with great care.The goal of the Standard Model is to describe the interactions between elementary particles. However the theory is not quite complete. Indeed, in addition to some purely theoretical problems, a number of experimental observations cannot be explained by the Standard Model. Theorists are therefore looking for a more comprehensive theory able to fully explain the observations.This thesis is based on the study of the scalar sector of two different extensions of the Standard Model of particle physics. I have worked on the Two-Higgs Doublet Model – this model is purely effective but can be included in more comprehensive theories – as well as on a model based on a combination of Technicolor and Composite Higgs theories in the framework of the SU (4) ? Sp(4) symmetry breaking pattern. I studied the latter via an effective approach but the full theory is able to get rid of some of the pitfalls of the Standard Model.These two models include a scalar sector that is richer than the one found in the Standard Model and contain at least one particle which can be assimilated to the Higgs boson discovered at the LHC.I performed a phenomenological study for these two models and tested them against both theoretical and experimental constraints. In particular I used the latest studies on the 125 GeV Higgs boson and on possible additional scalars performed by the ATLAS and CMS collaborations. The application of all these constraints drastically reduced the available parameter space of the two models. In particular it narrowed the possible mass range of the additional scalars, allowing to know more accurately where to search them experimentally in order to prove or rule out their possible existence.As of today the two theories I worked on are still not excluded by the latest experimentaldata

Thesis (Ph. D.)--Michigan State University. Dept. of Physics and Astronomy, 2008.
Title from PDF t.p. (viewed on Mar. 30, 2009). Includes bibliographical references (p. 137-146). Also issued in print.