Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 bestätigt das Standardmodell als die erfolgreichste Theorie, die die grundlegenden Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreibt. Eine der wichtigen Eigenschaften des Higgs-Bosons ist seine Yukawa-Kopplung an das Top-Quark, die aufgrund der hohen Masse des Quarks im Standardmodell am stärksten ist. Diese Arbeit berichtet über eine Messung der Top-Yukawa-Kopplung mit Daten, die vom ATLAS-Detektor von 2015 bis 2018 bei einem Massenschwerpunkt von 13 TeV aufgezeichnet wurden. Die Kopplung wird in ttH(bb)-Ereignissen untersucht, einem Endzustand, der die Zerfälls-produkte von zwei Top-Quarks enthält und in dem zusätzlich ein Higgs-Boson emittiert wird, welches in Bottom-Quark-Paar zerfällt. Dieser Zerfallskanal des Higgs-Bosons hat das größte Verzweigungsverhältnis, wird jedoch durch die Beschreibung des dominanten Untergrundprozesses ttbb, ein Top-Quark-Paar mit zwei zusätzlichen b-Quarks im Endzustand systematisch beschränkt. Die Messung nutzt die Fähigkeit des ATLAS-Detektors, Jets von einem b-Quark zu identifizieren, um Analysebereiche mit verschiedenen Zusammensetzungen von Signal und Untergrund zu konstruieren. Um das Signal weiter zu separieren, wird eine Reihe von multivariaten Algorithmen verwendet und der ttH-Prozess wird unter Verwendung eines Profile-Likelihood-Fits extrahiert. Die Ergebnisse werden für den Kanal mit einem einzelnen Lepton im Endzustand und für eine Kombination mit dem Dilepton-Kanal gezeigt. Die Untergrundgenauigkeit wird im Detail untersucht, wobei große Fehlmodellierungen festgestellt werden. Das gemessene Verhältnis der ttH-Produktion zur Standardmodell-Vorhersage beträgt mu(ttH) = 0,84+0,45- 0,39 (syst.) +-0,21 (stat.). Das Ergebnis stimmt mit der Vorhersage des Standardmodells überein und entspricht einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1,9 sigma (2,3 sigma), eine Verbesserung gegenüber der vorherigen ATLAS-Messung, bei der eine Signifikanz von 1,4sigma (1,6 sigma) ermittelt wurden. / The discovery of the Higgs Boson in 2012 confirms the Standard Model as the most successful theory describing the fundamental interactions of elemental particles. One of the important properties of the Higgs boson is its Yukawa coupling to the top quark, which in the Standard Model is the strongest due to the high mass of the quark. This thesis reports on a measurement of the top-Yukawa coupling with data collected by the ATLAS detector from 2015 to 2018 at 13 TeV center of mass energy. The coupling is studied in ttH(bb) events, a final state containing decay products of two top quarks with additional emission of a Higgs boson, where the Higgs decays into a pair of bottom quarks. This decay channel of the Higgs Boson has the largest branching ratio, but is systematically limited by the description of the dominant background process ttbb, a tt with additional two b quarks in the final state. The measurement takes advantage of the ability of the ATLAS detector to identify jets coming from a b quarks to construct analysis regions with various compositions of the signal and the background. To further separate the signal, a series of multivariate algorithms is employed and the ttH process is then extracted using a profile likelihood fit. The results are shown for the channel with a single lepton in the final state and for a combination with the dilepton channel. The background performance is studied in detail, where large mis-modeling is found. The measured ratio of the ttH production compared to the Standard Model prediction is found to be mu(ttH) = 0.84 +0.45 -0.39 (syst.) +-0.21 (stat.). The result is in agreement with the Standard Model prediction and corresponds to an observed (expected) significance of 1.9 sigma (2.3 sigma), an improvement compared to the previous ATLAS measurement which reported 1.4 sigma (1.6 sigma).

Diese Arbeit beschreibt die Suche nach assoziierter Produktion eines Higgsbosons und eines Top-Quark Paares in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Für diese Analyse wurden Ereignisse analysiert, die exakt zwei Leptonen mit gleichem Ladungsvorzeichen oder exakt drei Leptonen enthalten und daher auf die Higgs Zerfallsmoden in H->WW, H->ZZ und H->tautau sensitiv sind. Die Daten wurden mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider (LHC) in den Jahren 2015-17 aufgezeichnet. Der grösste Untergrund in beiden Kanälen stammt aus assoziierter Produktion von Vektorbosonen mit einem Top-Quark Paar (ttW und tt(Z/gamma)), Dibosonproduktion und Ereignisse, die Photonen und Hadronen, die fehlerhaft als Leptonen identifiziert wurden, erhalten oder Leptonen, die aus Zerfällen von Hadronen stammen. Der Leptonuntergrund wurde mit einer neuen Methode abgeschätzt, die auf separaten Kategorien für jeden Produktionsmodus des Leptonuntergrundes basiert. Der Beitrag jeder Kategorie wird in verschiedenen Kontrollregionen aus dem Vergleich von Daten mit der Simulation bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen ttH Wirkungsquerschnitts zu der Vorhersage des Standardmodells und die Normierungsfaktoren des Untergrundes werden gleichzeitig in einem Profile-Likelihood-Fit bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen zum erwarteten ttH Wirkungsquerschnitts, unter der Annahme einer Higgsbosonmasse von 125 GeV, wurde zu 0.88(+0.54/-0.51) mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.80 (2.52) Standardabweichungen gemessen. Das entspricht einem geschätzten Wirkungsquerschnitt für die ttH Produktion von 446(+241/-227) fb, in Übereinstimmung mit der Standardmodellvorhersage von 507(+35/-50) fb. / This thesis describes the search for the associated production of a Higgs boson and a top-quark pair in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis focuses on events containing two leptons with same-sing electric charge or exactly three leptons in the final state. With these requirements, the analysis is sensitive to the H->WW, H->ZZ and H->tautau Higgs decay modes. The used data was recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) during the 2015-17 period. The primary sources of background were found to be ttW, tt(Z/gamma), Diboson processes and events containing fake or non-prompt leptons coming from hadron decays, photon conversions and electron charge mis-identification. The estimation of the hadron decay and photon conversion fake backgrounds was performed using a novel semi-data driven technique where Monte Carlo background categories are created for each fake process of interest. A profile likelihood fit to data is then used to extract a normalization factor for each fake category, which are used to correct the Monte Carlo predictions. The ratio of the measured ttH signal cross-section to the Standard Model expectations and a normalization factor for the ttW process are extracted simultaneously from the same fit. The measured to expected cross-section ratio for a Standard Model Higgs boson of mass 125 GeV was found to be 0.88(+0.54/-0.51) with an observed (expected) significance of 1.80 (2.52) standard deviations. This corresponds to an estimated ttH cross-section of 446(+241/-227) fb, in agreement with the Standard Model prediction of 507(+35/-50) fb.

Trotz der zahlreichen astrophysikalisch und kosmologisch überzeugenden Beweise für Dunkle Materie bleibt ihre wahre Natur unbekannt. Eine Motivation für die Suche nach Dunkler Materie am Large Hadron Collider (LHC) und insbesondere mit dem ATLAS-Experiment ist die besonders vielversprechende Möglichkeit, dass Wechselwirkungen zwischen gewöhnlicher Materie und Dunkler Materie durch neue Spin-0-Teilchen vermittelt werden. Solche Teilchen würden das Standardmodell um einen potentiellen Dunklen Sektor erweitern, zu dem die Teilchen der Dunklen Materie gehören. ähnlich wie das Higgs-Boson interagieren diese neuen Mediatoren am stärksten mit den schwersten Teilchen über Kopplungen vom Yukawa-Typ, wodurch sie empfänglicher für die damit verbundene Produktion durch Quarks mit schwerem Flavour werden. Diese Dissertation präsentiert die Ergebnisse der statistischen Kombination von zwei Suchen, die auf die mit Dunkler Materie verbundene Produktion von einem Top-Quark-Paar oder einem einzelnen Top-Quark, jeweils zwei geladenen Leptonen im Endzustand, abzielen. Diese beiden Kanäle weisen komplementäre Eigenschaften auf, und eine Kombination kann die Empfindlichkeit gegenüber Dunkle-Materie-Signalen erheblich verbessern. Diese Kombination wird unter Verwendung von 139 fb-1 pp-Kollisionsdaten durchgeführt, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV erzeugt und vom ATLAS-Detektor am LHC aufgezeichnet wurden. Die Ergebnisse der Kombination werden in Bezug auf vereinfachte Modelle für Dunklen Materie mit einem skalaren oder pseudoskalaren Spin-0-Mediator interpretiert. Die statistische Kombination weitet die bei einem Konfidenzniveau von 95% ausgeschlossenen Massen auf bis zu 350 GeV sowohl für skalare als auch für pseudoskalare Mediatoren aus. Die beobachteten Ausschlu{\ss}grenzen des Wirkungsquerschnitts werden für den ska\-laren (pseudoskalaren) Mediator um 20%(30%) gegenüber dem Besten des einzelnen Kanals verbessert. / Despite the multiple astrophysical and cosmological compelling evidences for Dark Matter, its true nature remains unknown. A motivation to dark matter searches at the Large Hadron Collider (LHC), and in particular in the ATLAS experiment, is the especially promising possibility that interactions between ordinary matter and dark matter are mediated by new spin-0 particles. Such particles would extend the Standard Model with a potential dark sector, to which dark matter particles belong. Similarly to the Higgs boson, these new mediators interact strongest with the heaviest particles via Yukawa-type couplings, making them more prone to associated production with heavy-flavour quarks. This thesis presents the results of the statistical combination of two searches targeting dark matter associated production with a top quark pair and a single top quark, targeting two charged leptons in the final state. These two channels present in fact complementary properties and a combination could enhance significantly the sensitivity to dark matter signals. This combination is carried out using 139 fb-1 of pp collision data produced at centre-of-mass of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The results of the combination are interpreted in terms of simplified dark matter models with a spin-0 scalar or pseudoscalar mediator particle. The statistical combination extends the exclusion at 95 % Confidence Level (CL) of masses up to 350 GeV for both scalar and pseudoscalar mediators. The observed upper limits on the cross-section are improved up by 20 %(30 %) for scalar(pseudoscalar) mediator with respect to the best of the individual channel.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach einem angeregten $b$ Quark, $b^*$, durchgeführt. Für diese $b^*$ wird eine anomale Kopplung an Bosonen aus dem Standard Modell vorhergesagt. Diese Kopplung führt zu der Produktion in hochenergetischen Proton-Proton Kollisionen. In der Suche zielen wir auf Ereignisse, bei denen eines der zwei $W$ Bosonen in ein Elektron oder Muon zerfällt und das andere in ein Hadronenpaar. Da es nur ein Neutrino in diesem Prozess gibt, kann das ganze Ereigniss kinematisch rekonstruiert werden. Damit ist es möglich, die Masse des $b^*$ als diskriminierende Variable zu verwenden. Als Datenquelle dienen die Daten, die der ATLAS Detektor in den Jahren 2015 und 2016 bei Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunksenergie von $\sqrt s = \SI{13}{\tera\electronvolt}$ aufgezeichnet hat. Dabei entspricht diese Datenmenge einer integrierten Luminosität von $\L_{int} = \SI{36.1}{\femto\barn^{-1}}$. Da die Analyse auf hochmassige $b^*$ abziehlt, kann man davon ausgehen, dass das Hadronenpaar aus dem $W$ Zerfall in einen Jet mit großen Radius passt. Es wurde kein signifikanter Überschuss über den Untergrund gefunden. Damit können nur obere Ausschlussgrenzen bezüglich der Wirkungsquerschnitte in dem entsprechenden Zerfallskanal abgeleitet werden. Unter Annahme von einer Kopplungskonstanten von 1, sind Zerfälle von $b^*\to Wt$ bis zu einer Masse $m_{b^*,\mathrm{obs}}= \SI{2.5}{\tera\electronvolt}$ ausgeschlossen, wobei erwartet wurde, dass die Ausschlussmasse bei $m_{b^*,\mathrm{exp}}= \SI{2.4}{\tera\electronvolt}$ liegen würde. / A search for an excited $b$ quark, $b^*$, in events containing a top quark and a $W$ boson is investigated. These $b^*$ are predicted to have some anomalous couplings to Standard Model bosons aiding the production in high energy proton-proton collisions. The search is aiming for events, where one of the two $W$ bosons decays into an electron or muon, while the other decays hadronically. With only one neutrino, the event can be kinematically fully reconstructed. This enables the use of the mass of the $b^*$ as the discriminant variable. The data source under investigation is the data taken by the ATLAS detector at the LHC accelerator in the years 2015 and 2016 at a center-of-mass energy of $\sqrt s = \SI{13}{\tera\electronvolt}$. The combined dataset corresponds to an integrated luminosity of $\L_{int} = \SI{36.1}{\femto\barn^{-1}}$. The analysis targets high mass excited $b^*$ quarks, where the products of the hadronically decaying $W$ are contained within a large-radius jet. No significant excess over the expected background is observed and upper limits on the cross-section times branching ratio and coupling limits are derived. Assuming unit coupling, $b^*$ decaying into $Wt$ are excluded up to $m_{b^*,\mathrm{obs}}= \SI{2.5}{\tera\electronvolt}$, with an expected exclusion limit of $m_{b^*,\mathrm{exp}}= \SI{2.4}{\tera\electronvolt}$.

Diese Arbeit präsentiert die Messung der Produktion eines einzelnen top quarks im s-channel. Dazu wird der 13 TeV ATLAS Datensatz, welcher von 2015 bis 2018 aufgenommen wurde und insgesamt 139 fb^−1 integrierte Luminositat hat, analysiert. Die große Schwierigkeit dieser Analyse ist die überwältigende Menge an Untergrund. Nach einer optimisierten Auswahl von Ereignissen stammen nur 3 % der Ereignisse von dem gesuchten Prozess. Demzufolge muss der Untergrund so gut wie möglich von dem Signal getrennt werden. In dieser Analyse wird die Matrixelement Methode verwendet. Diese Methode wendet das Neyman-Pearson Lemma, das die optimale Teststatistik beschreibt, auf dieses Teilchenphysik Experiment an. Die Likelihood Funktionen werden durch eine Faltung der Matrixelemente, die die harte Streuung beschreiben, mit den Transferfunktionen, die für die Modelierung der Detektoreffekte zuständig sind, berechnet. Wegen begrenzter Rechenkapazitäten kann dabei nur die erste Ordnung der Näherung in die Berechnung einbezogen werden. Diese Arbeit stellt außerdem Studien vor, die das Ziel haben diese Methode zu verbessern. Dazu wurden die Transferfunktion neu bestimmt. Außerdem wird ein Neuronales Netzwerk zur Identifizierung des Signals angewendet. Um das Resultat zu extrahieren wurde eine statistisches Modell der diskriminierenden Variable der Matrixelement Methode erstellt und mit Hilfe des profile likelihood Fits wurde der Parameter μ, der als Quotient aus dem gemessenen s-channel Wirkungsquerschnitt zu dem vom Standard Modell vorhergesagten Wirkungsquerschnitt definiert ist, bestimmt. Das Resultat der Analyse ist μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31. Dies stimmt mit der Standard Modell Vorhersage überein. Die gemessene Signifikanz beträgt 4.19 σ. Dies ist die höchste jemals gemessene Signifikanz für die s-channel Produktion eines einzelnen top quarks in Proton-Proton Kollisionen. / This thesis presents the measurement of the single top s-channel production with the ATLAS detector. The analysis is based on data collected between 2015 and 2018, at a center-of-mass energy of 13 TeV and with an integrated luminosity of 139 fb^−1. The main challenge of this analysis is the overwhelming background. After an optimized selection of events the signal amounts to only approximately 3 % of all events in the signal region. This necessitates the best possible separation of signal and background. In this thesis, the Matrix Element is utilized. The underlying principle for this method is the Neyman-Pearson lemma which states the optimal test statistic. The likelihoods are computed by a convolution of the matrix elements describing the hard scattering process and the transfer functions which model the detector effects. Due to limited computing resources, only the leading order approximation can be calculated. This thesis further investigates methodologies aimed at enhancing the effectiveness of the signal separation process. For that reason, the transfer functions are updated and a study in which a neural network uses the event likelihoods of the Matrix Element Method as in- put to produce a different discriminating variable is shown. To extract the final result, a statistical analysis of the discriminating variable result- ing from the Matrix Element Method is preformed. A statistical model is built and the profile likelihood fit is used to extract the parameter of interest μ which is the ratio of the observed s-channel single top production cross-section to the Standard Model expectation. The result of the analysis is μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31 which is in agreement with the Standard Model. The observed significance of this analysis is 4.19 σ. This is the highest measured significance of the s-channel single top production in proton-proton collisions.

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