Physique de la saveur aux hautes et basses énergies

Despite being a very successful theory, the Standard Model (SM) of Particle Physics cannot be the final theory of Nature. Various puzzles remain unexplained, including the issue of hierarchy of scales and the flavor problems, which call for New Physics (NP) beyond the Standard Model. Recent experimental hints of lepton flavor universality violation in semileptonic B-meson decays through charged and neutral currents sealed the flavor sector as a critical laboratory for studying physics beyond the SM. In this work, we propose several new observables the measurement of which could be relevant for flavor physics and set relevant constraints onto NP, both in the model-independent framework via Effective Field Theories (EFT) and with explicit scenarios, involving low-energy Leptoquarks. After pointing out the main features of the SM and the EFTs that we use to parametrize NP, we focus on the semileptonic and leptonic decays of pseudoscalar mesons involving charged currents, and propose observables that are mostly free of hadronic uncertainties and that are independent of the CKM matrix elements. Using available experimental results, we derive bounds on several effective couplings to new physics. We then study in great details the semileptonic decays of heavy baryons, especially the perspectives they offer in terms of new observables that can be extracted from angular distributions. We make several predictions for quantities related to Lambda_b → Lambda_c tau nu in the SM and its several extensions. That decay is currently studied at LHCb. Complementary to the low-energy processes, we also study the high-energy ones. We systematically analyze the flavor constraints that arise from the tail of the differential cross-section pp->ll' at ATLAS and CMS. Due to the energy enhancement of these processes, brought by NP compared to the SM, we find constraints that are often complementary and competitive with low-energy precision observables, and in some cases even better. We create and develop a new package ``HighpT'', designed to automatize this analysis for a generic EFT up to and including operators of dimension 8. Furthermore, we extend that to any (propagating) tree-level mediator. Comparing the two approaches allows us to explicitly check the validity of the EFT expansion in collider studies, and show that it can introduce uncertainties even for non-resonant processes. Finally, we study some concrete examples of explicit NP scenarios involving O(1 TeV) leptoquarks (LQ) than can accommodate all of the available constraints. Among the 3 scalar and 2 vector LQs we consider, we show that only the vector singlet LQ can accommodate a plethora of low-energy experimental data as constraints, including both B-anomalies and remain compatible with direct searches pp -> ll' high-pT tails. We also propose and demonstrate that a scenario involving a pair of scalar LQs, R2 and S3, can also satisfy all constraints. Such a scenario is even better since it remains renormalizable and no UV-completion needs to be specified to compute the loop effects.Le Modèle Standard de la physique des particules, quoique particulièrement prédictif, est nécessairement incomplet. En effet, de nombreux puzzles restent inexpliqués, tels que le problème de hiérarchie ou le problème de la saveur, qui requièrent une physique au delà de Modèle Standard. De plus, d'apparentes violations de l'universalité de la saveur leptonique ont été observé dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons B, suggérant des déviations aussi bien pour les courants neutres que les courants chargés. La physique de la Saveur apparait donc comme un candidat idéal pour rechercher cette nouvelle physique. Dans cette thèse, nous proposons plusieurs observables de saveur dont la mesure pourrait permettre de contraindre cette NP, d'une part dans une approche de théorie effective (EFT), ainsi que dans le cadre de modèle explicites de nouvelle physique impliquant des Leptoquarks à basse énergie. Après avoir résumé les propriétés importantes du Modèle Standard et de ses extensions par les théories effectives permettant de paramétriser de manière générique la nouvelle physique, nous construisons des observables à partir des désintégrations leptoniques et semi-leptoniques des mésons pseudoscalaires via les courants chargés. Un soin particulier est apporté au traitement des incertitudes hadroniques. En utilisant les résultats expérimentaux disponibles pour quelques de ces observables, nous somme en mesure de contraindre plusieurs coefficients de la théorie effective. Nous étudions également en détail les désintégrations semi-leptonique des baryons lourds, et montrons que l'observation de leur distribution angulaire permettrait d'extraire de nombreuses contraintes, en particulier pour la désintégration Lambda_b -> Lambda_c tau nu récemment observé pour la première fois par LHCb. Complémentairement aux processus à basses énergies, nous procédons à une analyse systématique de toutes les observables de saveurs à hautes énergies qui apparaissent dans les queues de distribution de la section efficace de collision pp → ll' observée par ATLAS et CMS. Puisque contrairement au modèle standard, la nouvelle physique tend à faire croitre cette section efficace avec l'énergie, les contraintes résultants sont souvent complémentaires, voire meilleures que les observables de précision à basse énergie. Cette analyse a nécessité le développement du programme ``HighpT'', un outil d'automatisation de la phénoménologie de la saveur au LHC incluant la théorie effective jusqu'aux opérateurs de dimension 8, ainsi que que tout les médiateurs possibles au niveau des arbres, en tenant compte de leur propagation. Ainsi nous pouvons comparer explicitement la validité des théories effectives pour les collisions à haute énergie, et montrons qu'elle amène des erreurs non négligeables, même pour les processus non résonnants. Enfin, nous proposons quelques exemples de scénarios minimaux de nouvelle physique, faisant intervenir des Leptoquarks à une masse O(1 TeV), en cherchant à vérifier toutes les contraintes précédentes. Parmi les 5 Leptoquark considérés, seul le singulet vecteur U1 est compatible avec l'ensemble des contraintes provenant des expériences à basses énergies, incluant les deux anomalies du B, tout en restant compatible avec les contraintes de recherche directe. Nous proposons également un scénario faisant intervenir une paire de Leptoquarks scalaire, R2 et S3, capable d'accommoder ces contraintes, tout en restant renormalisable. Ce modèle a donc l'avantage supplémentaire de permettre la prise en compte d'observables à boucle sans nécessiter de complétion ultraviolette