Exploring the diphoton final state at the LHC at 13 TeV : searches for new particles, and the Higgs boson mass measurement with the ATLAS detector

De nombreux modèles, au delà du modèle standard, prédisent l’existence de résonances se désintégrant en deux photons. La signature expérimentale très spécifique, associée à l’excellente résolution en masse et à la distribution du bruit de fond bien comprise, en font un canal roi pour la recherche de nouvelle physique.Ce document présente la recherche de nouvelles particules se désintégrant en une paire de photons effectuée auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN avec le détecteur ATLAS. L’ensemble des données de collisions de protons, accumulées en 2015 et 2016, à l’énergie dans le centre de masse de 13 TeV, correspond à 37 fb-1.J’ai développé la méthode et la procédure pour décrire un éventuel signal, en simulant des résonances de masses et largeurs variables. Avec ce modèle j’ai pu calculer l’efficacité de sélection et donner une interprétation statistique des résultats. Cette analyse a permis de montrer que les données collectées sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Des limites sur la section efficace de production couplée au rapport d’embranchement en deux photons, en fonction de la masse et de la largeur de la résonance considérée sont présentées.Le calorimètre électromagnétique de ATLAS joue un rôle clé pour cette analysis di-photon. L’excellente résolution en énergie permet de reconstruire électrons et photons avec une précision de l’ordre de 1% aux énergies considérées. J’ai pris part au fonctionnement du calorimètre lors du démarrage du run-2 et décris ici mes contributions.Finalement, un des points clé pour la mesure de la masse du boson de Higgs est la qualité de la calibration de l’énergie des photons. J’ai développé une approche qui permet de prendre en compte l’impact du développement latéral des gerbes électromagnétiques sur la reconstruction de l’énergie. Cette méthode permettra de réduire l’erreur systématique sur la mesure de la masse du boson de Higgs, mesurée par son mode de désintégration en deux photons.New high-mass states decaying into two photons are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). The diphoton final state provides a clean experimental signature with excellent invariant mass resolution and well-known smooth backgrounds.This document presents a search for new particles with diphoton final state at the Large Hadron Collider with the ATLAS detector. The pp collision data used were collected during 2015 and 2016 runs with a center-of-mass energy of 13 TeV. The total corresponding luminosity is ~37 fb-1.In this thesis, I show my contribution to the search of scalar particle. The studies of signal modeling for different mass and width hypothesis will be described in details. The estimation of selection efficiencies and statistical interpretations of results are performed.The data are consistent with the Standard Model background-only hypothesis. Limits on the production cross section times branching ratio to two photons of such resonances as a function of the resonance mass and width are presented.The Liquid Argon electromagnetic calorimeter plays a crucial role in the diphoton analysis. The excellent energy resolution allows to reconstruct objects with high precision. The contribution to operation of LAr calorimeter and its online software will be discussed.The calibration of the electron and photon energy measurements with the electromagnetic calorimeter is performed. The systematic uncertainties related to energy response are one of the largest contribution limiting the precision measurements of the Standard Model Higgs boson mass. The approach to improve the energy response taking into account lateral shower shape development is applied in the calibration procedure