Recherche d'un boson de Higgs chargé et développement d'un système de déclenchement trajectomètrique avec l'expérience ATLAS

En 2012, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d’un nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs prévu par le modèle standard. Cette particule a été postulée dans les années 1960. Elle explique comment les particules fondamentales obtiennent leurmasse. Cependant, la plupart des modèles allant au-delà du modèle standard prédisent l'existence de bosons de Higgs chargés. Les propriétés de telles particules, par exemple sa masse et son couplage aux autres particules, ne sont pas précisément prédites par la théorie, mais constituent un espace deparamètres qui doit être exploré. Des recherches de bosons de Higgs chargés ont été effectuée avant le LHC, cependant l'extension en énergie réalisée par le LHC a permis d'explorer un domaine plus large en masse. Dans ce travail nous avons cherché un boson chargé de Higgs se décomposant en une paire de quarks t et b. Aucun écart par rapport au modèle standard n'a été observé dans les données recueillies jusqu’en 2016, nous pouvons en déduire deslimites supérieures sur le taux de production d’un boson chargé de Higgs.Ces limites peuvent alors être utilisées pour exclure des parties de l’espacedes paramètres.Le LHC sera mis à niveau vers 2025 pour augmenter sa luminosité (le nombre de collisions par seconde et par cm2). Les protons sont accélérés par paquets. Ainsi, la luminosité peut être augmentée en injectant plus de protons par paquet, mais aussi en focalisant les paquets (réduisant leur taille transverse) au point de collision. Cela signifie que le taux auquel nouspouvons espérer produire des événements rares augmentera, mais aussique le taux de bruit de fond correspondant à l'empilement (le nombre de collisionsmoles de protons par croisement) augmentera. Le taux de croisement de paquets au LHCest trop élevé pour pouvoir lire et stocker toutes les don-nées produites. Ainsi nous devons utiliser un système de déclenchement quisélectionne rapidement les événements intéressants à enregistrer. Le système de déclenchementactuel n'est pas adapté au taux élevé d’empilement attendu pour la phase à hauteluminosité (HL) du LHC. Il doit donc être améliorée.Une façon de le faire est d'utiliser les informations du détecteur internequi fournit des informations sur les trajectoires de particules chargées.En utilisant des algorithmes qui peuvent être mis en œuvre dans l'électronique,un déclenchement de premier niveau sur les traces peut être rendu assez rapide pour fonctionnerdans la courte latence requise au HL-LHC. Le détecteur interne fournitdes points d’espace, des mesures des trajectoires des particules à des intervalles différents où sont installés des pistes de silicium. La quantité dedonnées du trajectomètre est trop grande, aussi effectuer des calculs sur toutes les combinaisons de points spatiaux prendrait trop de temps. Par conséquent, undéclenchement interne de premier niveau doit pouvoir sélectionner un sous-ensemble de pointsspatiaux sur lesquels effectuer le calcul. Dans cette thèse, nous avons exploré l’idée d’utiliser les régions d'intérêt fournies par le système de déclenchement d’électrons et de muonspour sélectionner une partie du volume du détecteur interne, puis de sélectionner lespoints d’espace qui correspondent aux modèles attendus des traces à haute énergie. Il a été démontré que c’est une option viable pour réduire les taux de bruit de fond tout en gardant une efficacitéélevée pour les événements que nous voulons garder, même dansdes conditions élevées d’empilement.In 2012 the ATLAS and CMS experiments announced the discoveryof a new particle, a Higgs boson. This particle was hypothesized in the1960’s and explains how fundamental particles get their mass. However, amodel with a single Higgs boson is still not able to explain the aforemen-tioned cosmological observations. An electrically charged Higgs boson isa feature of many suggested extensions of the current model, includingsupersymmetry. The properties of such a particle, e.g. its mass and howit interacts with other particles are not fixed by theory but forms a pa-rameter space in which we must look for it. Searches for charged Higgsbosons have been performed prior to the LHC, but with the new energyscale of the LHC, the experiments have been able to look for heavier par-ticles. In this work we searched for a charged Higgs boson decaying intothe heaviest two quarks, a top and bottom pair. No deviations from thestandard model were found in the data gathered up until 2016, and hencewe can set upper limits on the production rate of a charged Higgs boson.These limits can then be used to exclude parts of the parameter space.The LHC will be upgraded around 2025 to increase the luminosity,that is the intensity of the proton beams. Protons are not acceleratedone by one at the LHC but in bunches. The luminosity can be increasedby using more protons per bunch but also by squeezing the bunches to besmaller at the point of collision. This means that the rate at which we canhope to produce rare events will increase but also that the backgroundrates and so called pile-up, the number of proton collisions per bunchcrossing, will increase. The rate of bunch crossings at the LHC is muchtoo high for ATLAS to be able to readout and store all data for eachevent, instead we use triggers that select events which look interesting.The current triggers are not suited for the high rates and pile-up of theHigh Luminosity (HL) LHC after the upgrade and must thus be improved.A way to do this is to use the information from the tracking detector thatprovides information on the trajectories of charged particles. By usingalgorithms that can be implemented in hardware a track trigger can bemade fast enough to work within the short latency required at the HL-LHC. The tracking detector provides space points, measurements of theparticle trajectories at different intervals, to which a track can be fitted.The amount of data from the tracker is very large, and performing trackfits on all the combinations of the space point would take too much time.Therefore a track trigger must be able to select a subset of space points onwhich to perform the track fit. For this thesis we have explored the idea ofusing standalone electron and muon triggers to select a part of the trackervolume, and then select space points that match precomputed patternsthat correspond to high energy particles. It has been shown that this isa viable option to reduce background rates while keeping high efficiencyfor the events we want to keep, even in high pile-up conditions