The top quark as a probe for searching new physics at the LHC using the ATLAS detector

Les travaux présentés dans cette thèse ciblent la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard dans le cadre des modèles composites, lesquels font intervenir des secteurs fortement couplés à l'échelle du TeV comprenant des particules exotiques. Leur existence peut être testée auprès du collisionneur proton-proton LHC situé au CERN, grâce au détecteur ATLAS. La production d'un quark lourd, comme le T5/3, prédit dans ces modèles, peut être déduite d'une section efficace anormalement élevée d'une signature spécifique. Certains états finaux, comme celui étudié dans cette thèse impliquant 2 leptons de même signe, étant très rares, possèdent une excellente sensibilité. Les recherches des processus de création du T5/3 au LHC en utilisant les données d'ATLAS à 8 et 13 TeV sont présentées. Un léger excès a été observé à 8 TeV. Des résultats préliminaires de l'analyse à 13 TeV sont présentés et ne montrent pas d'excès. Les limites inférieures en masse sur cette particule hypothétique sont de 745 GeV à 8 TeV et de 990 GeV à 13 TeV. Les modèles composites prévoient aussi l'existence de bosons lourds comme par exemple un Z' topophile qui ne se couplerait qu'aux quarks top et dont la production en association d'une paire tt donnerait un état final similaire aux événements à 4 quarks top. Une étude phénoménologique sur le potentiel de découverte de ces processus exotiques (Z' et théorie effective) ou standard (tttt) à 13 et 14 TeV est effectuée et donne les luminosités minimales nécessaires pour pouvoir observer des déviations au Modèle Standard. Une étude instrumentale d'une nouvelle carte de déclenchement de niveau 1 du calorimètre électromagnétique est aussi décrite en prévision de la phase d'Upgrade du détecteur.The work of this thesis focuses on the search for new physics beyond the Standard Model in the compositeness framework, which postulates strongly coupled sectors at the TeV-scale consisting of exotic particles. Their existence can be tested at the CERN proton-proton collider, the LHC, using the ATLAS detector. The production of an heavy quark, such as the T5/3 predicted in those models, can be inferred from an enhancement of the cross-section of a given signature. Some final states, such as the one studied in this thesis involving 2 same-sign leptons, are very rare and have an excellent sensitivity. Searches for T5/3 production at the LHC using 8 and 13 TeV ATLAS data are presented. A small excess is seen at 8 TeV. Preliminary results of the 13 TeV analysis are presented and do not show any excess. The inferior limits put on the T5/3 mass is 745 GeV at 8 TeV and 990 GeV at 13 TeV. Composite models include also heavy bosons such as top-philic Z' coupled only to the top quark whose production in association to a top quark pair gives a final state similar to those from 4 tops events. A phenomenological study on the discovery potential of those exotic (Z' and effective theory) or standard (tttt) processes at 13 and 14 TeV is done and gives the minimal luminosities needed to observe deviations from the Standard Model. An instrumental study for the conception of the new LTDB card, part of the electromagnetic calorimeter's level 1 trigger system is described in the context of the ATLAS upgrade program