L’année 2010 restera un moment important pour la communauté des physiciens des particules : c’est l’année du début de ce que l’on pourrait appeler le run-I du LHC à √s = 7 TeV et du programme de physique des expériences qui l’accompagnent. Ces projets ambitieux sont la somme de défis – technologiques, scientifiques, humains – relevés un par un pour pousser dans ses derniers retranchements le modèle actuel qui décrit la matière et ses interactions au niveau le plus fondamental. Ce Modèle Standard a eu de nombreux succès prédictifs, et les physiciens recherchent maintenant sa dernière manifestation, qui échappe à l’observation depuis son introduction en 1964 : le boson de Higgs. Mais la découverte de ce dernier ne signera pas la fin de la quête : de nombreux arguments théoriques rendent le Modèle Standard non satisfaisant, et le LHC pourrait aussi permettre d’observer les manifestations d’un modèle remplaçant le Modèle Standard à plus haute énergie.

Les travaux présentés dans cette thèse se placent dans le cadre général de la recherche du boson de Higgs dans sa désintégration en deux photons, avec l’expérience ATLAS. Ce canal de découverte, prometteur pour un boson de Higgs léger, nécessite d’abord d’excellentes performances du calorimètre électromagnétique. Les deux grandes expériences de physique généraliste auprès du LHC – ATLAS et CMS – ont orienté la conception de leurs calorimètres en ce sens, avec cependant des choix technologiques différents. Les performances requises sont en termes de résolution en énergie, de résolution angulaire et de réjection du bruit de fond hadronique. De plus, l’environnement du LHC (taux élevés de collisions et de déclenchements), conjugué à la taille des expériences, impose des contraintes sur le fonctionnement des détecteurs et le traitement des données. Le flux de données à traiter en provenance des dizaines de milliers de canaux doit être optimisé en temps de calcul, mémoire occupée et précision. Par ailleurs, une bonne compréhension des bruits de fond au canal H → γγ est indispensable. En particulier, la production de paires de photons directs avec une grande masse invariante constitue un bruit de fond irréductible à ce canal. Les mesures de sections efficaces différentielles de production de photons et de paires de photons directs, si possible reposant le moins possible sur des paramètres issus de la simulation, permettront d’améliorer la modélisation de ces événements et de mieux les comprendre au niveau théorique, et donc finalement de bien les maîtriser dans le but d’une découverte dans le canal H → γγ .

Le Modèle Standard de la physique des particules [1–3] est le cadre théorique qui tente d’expliquer à la fois les constituants élémentaires de la matière et leurs interactions. Il est le fruit d’avancées expérimentales et théoriques dans les années 60 et 70. Le pivot de ces théories est la recherche de symétries pour décrire la forme des interactions et classifier les particules élémentaires. Le Modèle Standard est une théorie de jauge décrivant les interactions des constituants de la matière (quarks, leptons) par l’intermédiaire de bosons vecteurs. Cette théorie (valable pour des particules d’énergie inférieure au TeV) est basée sur le groupe de jauge SU(3)C ⊗ SU(2)L ⊗ U(1)Y . L’interaction forte est décrite par le groupe SU(3)C dans la théorie de la chromodynamique quantique (Quantum ChromoDynamics, QCD). Les interactions électromagnétique et faible sont décrites par une théorie unifiée, l’interaction électrofaible (ElectroWeak, EW) et son groupe SU(2)L ⊗ U(1)Y . Un des succès de cette unification a été la prédiction de 3 bosons vecteurs de l’interaction faible, les bosons Z0 et W±, observés au CERN dans les années 1970/1980. Le Modèle Standard a été testé et mesuré précisément depuis lors, par exemple au LEP (CERN), au SLAC (Stanford), ou au TeVatron (FermiLab).

A ce jour, il ne reste qu’une seule prédiction du Modèle Standard qui n’ait été observée expérimentalement. Pour que la symétrie SU(2)L ⊗ U(1)Y soit respectée, les bosons Z0 et W± doivent être de masse nulle, ce qui n’est pas le cas. Se pose alors le problème de l’origine de cette masse. Un mécanisme de brisure spontanée de symétrie permettant de générer un terme de masse a été introduit en 1964 par Brout et Englert [4], et indépendamment par Higgs [5]. Ce mécanisme, connu sous le nom de mécanisme de Higgs, prévoit l’existence d’une particule scalaire, le boson de Higgs, qui n’a pas encore été observé.

Dans le cadre du Modèle Standard, les particules de matière sont des fermions (de spin demientier), par opposition aux vecteurs des interactions, qui sont des bosons (de spin entier). Ils obéissent à la statistique de Fermi – Dirac : deux fermions ne peuvent se trouver simultanément dans le même état quantique. Parmi ces fermions, on distingue les quarks, qui sont sensibles à l’interaction forte, et les leptons, qui ne le sont pas. Il existe trois familles (ou générations) de fermions, dont la première seule suffit à décrire la matière du monde dans lequel nous vivons. Les deux autres générations ont des propriétés similaires, mais sont instables et plus massives : elles ne peuvent être créées sur Terre que dans les accélérateurs de particules .