Motivated by the sustained interest in Bose Einstein condensates and the recent progress in the understanding of topological phases in condensed matter systems, we study quantum condensates and possible topological phases of bosons in coupled light-matter excitations, so-called polaritons. These bosonic quasi-particles emerge if electronic excitations (excitons) couple strongly to photons. In the first part of this thesis a polariton Bose Einstein condensate in the presence of disorder is investigated. In contrast to the constituents of a conventional condensate, such as cold atoms, polaritons have a finite life time. Then, the losses have to be compensated by continued pumping, and a non-thermal steady state can build up. We discuss how static disorder affects this non-equilibrium condensate, and analyze the stability of the superfluid state against disorder. We find that disorder destroys the quasi-long range order of the condensate wave function, and that the polariton condensate is not a superfluid in the thermodynamic limit, even for weak disorder, although superfluid behavior would persist in small systems. Furthermore, we analyze the far field emission pattern of a polariton condensate in a disorder environment in order to compare directly with experiments. In the second part of this thesis features of polaritons in a two-dimensional quantum spin Hall cavity with time reversal symmetry are discussed. We propose a topological invariant which has a nontrivial value if the quantum spin Hall insulator is topologically nontrivial. Furthermore, we analyze emerging polaritonic edge states, discuss their relation to the underlying electronic structure, and develop an effective edge state model for polaritons.

A search for a heavy new particle Y decaying to a Standard Model Higgs boson H and another new particle X is presented. The search is performed using 139 fb−1 of p−p collision data at √s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector. The H boson is identified through its decays to bb, with the only assumption applied to X being that it decays hadronically. The X is identified through a novel anomaly detection method via the use of a Variational Recurrent Neural Network trained directly on data collected by the ATLAS detector. This effort marks the first application of a fully unsupervised machine learning method to an ATLAS analysis. An additional benchmark based on interpreting the Y → XH process in the context of a heavy vector triplet model in which the X decays to two quarks defines an additional signal region in which upper limits on the HVT process cross section are reported at 95% confidence level.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la matière constituée de particules élémentaires qui interagissent via les interactions fortes et électrofaibles. Le quark top est le quark le plus lourd décrit par ce modèle et a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et DO dans les collisions proton-antipronton du Tevatron. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paire de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant un lepton, un tau hadronique, deux jets de b et de l'énergie tranverse manquante. Cette analyse utilise les données collectées entre juillet 2006 et août 2007, soit une luminosité de 1,2 fb-1, qui sont combinées avec les données du Run IIa pour atteindre une luminosité de 2,2 fb-1. Une partie du travail de thèse fut consacrée au système de déclenchement du détecteur D0 et en particulier à l'identification des leptons taus au niveau 3 du système de déclenchement et aux déclenchements basés sur la présence de jets et d'énergie tranverse manquante. La problématique de la résolution en énergie des jets est également abordée, sous l'angle de l'intercalibration en eta du calorimètre hadronique et avec l'utilisation du détecteur de pied de gerbe central dans la définition de l'énergie des jets. La section efficace de production de paires de quark top obtenue est 7,32+1,34-1,24(stat)+1,20-1,06(syst)+-0,45(lumi)pb. Cette mesure est en accord avec les prédictions du modèle standard et permet de contraindre la présence de nouvelle physique, telle que l'existence d'un boson de Higgs plus léger que le quark top. Une limite d'exclusion a ainsi été obtenue dans le plan (tan beta,mH+-) et est présentée dans la dernière partie de ce manuscrit.

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In this thesis we investigate strongly-correlated states of ultracold bosonic atoms in rotating ring lattices and arrays of double-well potentials. In the first part of the thesis, we study the tunneling dynamics of ultracold bosons in double-well potentials. In the non-interacting limit single-particle transitions dominate, while in the interaction-dominated regime correlated tunneling of all particles prevails. At intermediate times of the many-particle flopping process correlated states occur, but the timescales of these processes increase dramatically with the number of particles. Using an array of double-well potentials, a large number of such few-particle superposition states can be produced in parallel. In the second part of the thesis, we study the effects of rotation on ultracold bosons confined to one-dimensional ring lattices. We find that at commensurate filling there exists a critical rotation frequency, at which the ground state of the weakly-interacting gas is fragmented into a macroscopic superposition of different quasi-momentum states. We demonstrate that the generation of such superposition states using slightly non-uniform ring lattices has several practical advantages. Moreover, we show that different quasi-momentum states can be distinguished in time-of-flight absorption imaging and propose to probe correlations via the many-body oscillations induced by a sudden change in the rotation frequency. Finally, we compare these macroscopic superposition states to those occurring in superconducting quantum interference devices. In the third part of the thesis, we demonstrate the creation of entangled states with ultracold bosonic atoms by dynamical manipulation of the shape of the lattice potential. To this end, we consider an optical superlattice that allows both the splitting of each site into a double-well potential and the variation of the height of the potential barrier between the sites. We show how to use this array of double-well potentials to perform entangling operations between neighboring qubits encoded on the Zeeman levels of the atoms. As one possible application, we present a method of realizing a resource state for measurement-based quantum computation via Bell-pair measurements. In the final part of the thesis, we study ultracold bosons on a two-dimensional square lattice in the presence of an effective magnetic field and point out a couple of features this system has in common with ultracold bosons in one-dimensional rotating ring lattices.

Diese Arbeit beschreibt die Suche nach dem Higgs Boson, welches in vielen theoretischen Modellen der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Das Higgs Boson ist die Konsequenz der spontanen Symmetriebrechung, welche den Teilchen Masse verleiht. Zur Suche werden e+e- Annihilationen bei Schwerpunktenergien bis 209 GeV analysiert, welche vom Experiment L3 am Speicherring LEP in den Jahren 1998 bis 2000 registriert wurden. Die Suche erfolgte in allen relevanten Endzustaenden, wobei der Endzustand mit vier hadronischen Jets im Detail behandelt wird. Die Daten werden mit den Erwartungen eines Signals in verschiedenen Modellen bei Beruecksichtigung der bekannten Untergrundprozesse verglichen oder es wird modellunabhaengig nach der Erzeugung skalarer Teilchen gesucht. Die Produktion von Higgs Bosonen konnte nicht nachgewiesen werde. Die Daten wurden daher benutzt, um neue Grenzen fuer Parameter der Modelle oder der Kopplungen zu setzen. Als erstes wird die Suche nach dem Higgs Boson im Standard Modell der elektroschwachen Wechselwirkung beschrieben. Die Produktion des Higgs Bosons wird bei LEP Energien ueber die Higgs-Strahlung und der Zerfall des Higgs Bosons in ein Paar von b-Quarks vorhergesagt. Die Analysen beruhen daher wesentlich auf der Erkennung von B-Hadronen. Der HZ->qqqq Endzustand wird im Detail untersucht, und die Ergebnisse werden mit den anderen Kanaelen : HZ->qqvv, HZ->qql+l- und HZ->tau+tau- qq kombiniert. Die untere Massengrenze fuer das Higgs Boson wird zu mH > 112.0 GeV auf 95% Vertrauensniveau, bestimmt. Ausserdem werden Grenzen auf die HZZ Kopplung abgeleitet. Im minimalen supersymmetrischen Modell (MSSM) werden fuenf Higgs Bosonen vorhergesagt. Zur Higgs-Strahlung kommt die Paarproduktion von Higgs Bosonen, e+e- -> hA , hinzu. Die Ergebnisse der Suche im Standard Modell werden durch die Suche in den Endzustaenden bb tau+tau- (tau+tau- bb), bbbb und hZ->AAqq ergaenzt. Im Rahmen von drei Standard-Szenarien, benannt als "mh-max", "no mixing" und "large-mu" werden untere Grenzen auf die Higgs Boson Massen von mh > 84.5 GeV und mA > 86.3 GeV fuer tan(beta) > 0.7 abgeleitet. Weiterhin werden im "mh-max" Szenario 0.55 < tan(beta) < 2.2, im "no mixing" Szenario 0.4 < tan(beta) < 4.9, und im "large-mu" Szenario 0.7 < tan(beta) < 6.2 ausgeschlossen. Eine modellunabhaengige Suche nach dem Prozess e+e- -> hZ wird fuer den vier-Jet Endzustand durchgefuehrt. In Kombination mit den Ergebnissen von den anderen Kanaelen werden Grenzen fuer die hZZ Kopplung bestimmt. Wird die hZZ Kopplung auf den Wert im Standard Modell gesetzt und der Zerfall des Higgs Bosons zu 100% in Hadronen angenommen, ergibt sich als Grenze der Higgs Boson Masse, mh > 97 GeV. Modellunabhaengige obere Grenzen fuer die hAZ Kopplung werden aus der Suche nach der Paarerzeugung von Higgs Bosonen in den Kanaelen hA->qqqq und hA->qq tau+tau- in Abhaengigkeit von den Higgs Boson Massen abgeleitet. Die Resultate aus der Kombination aller LEP Experimente werden fuer die oben genannten Analysen vorgestellt. Die Perspektiven der Higgs Boson Suche an den TEVATRON und LHC Speicherringen werden diskutiert und die Higgs Boson Physik an kuenftigen e+e- Linearbeschleunigern behandelt. Ein Linearbeschleuniger wie TESLA waere ideal fuer Untersuchungen eines leichten Higgs Bosons. Fuer ein Higgs Boson mit einer Masse zwischen 120 und 180 GeV kann mH mit einer Praezision von 40 bis 70 MeV bestimmt werden. Im gleichen Massenbereich ist die Messung des Wirkungsquerschnitts, weitgehend modellunabhaengig, mit einem relativen Fehler von 2.6 bis 3.8% moeglich. In vier-Fermion und sechs-Fermion Endzustaenden werden topologische Wirkungsquerschnitte, definiert als Produkt des totalen Wirkungsquerschnitts fuer e+e- -> HZ mit dem Verzweigungsverhaeltnis eines Zerfallskanals, untersucht. Fuer den Messfehler werden 1.1% fuer HZ->bbqq und 13% fuer HZ->W+W-l+l- bei mH = 120 GeV abgeschaetzt. Die Gesamtheit dieser und weiterer Messungen erlaubt eine genaue Bestimmung des Higgs Boson Profils und gibt Aufschluss ueber die Struktur des Higgs Sektors in der Natur. / This thesis is devoted to the search for neutral Higgs bosons predicted by various theoretical models. The Higgs boson arises as a result of spontaneous breaking of SU(2) symmetry leading to the generation of masses of fermions and weak bosons. The search is done in all experimentally related channels using the data collected at center-of-mass energies up to 209 GeV in the years 1998-2000 with the L3 detector at the Large Electron Positron collider, LEP. Here the study of the final states characterised by four jets is described in detail. For other final states the analyses are briefly reviewed and the results are reported. The data are compared with the expectation from the Standard Model background processes and with various signal hypotheses. A model independent search for neutral Higgs bosons is also performed. No evidence for the production of Higgs bosons is found. New mass limits are determined superseding previous mass limits established by L3 and other experiments. First I describe the analysis searching for the Standard Model Higgs Boson. Its production at LEP is expected mainly via the Higgs-strahlung process. In the mass range accessible at LEP the Standard Model Higgs Boson is predicted to decay dominantly into a pair of b and anti-b quarks, hence the dedicated analyses are optimised for the H->bb decay mode. The four-jet signal topology is investigated and then combined with the other search channels leading to a lower mass limit of mH > 112.0 GeV at 95% C.L.. The results of the search are also interpreted in terms of limits on the HZZ coupling. In the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) the Higgs sector is extended to five physical states. The Higgs-strahlung process is complemented by the mechanism of the Higgs boson pair production e+e- -> hA. Therefore, for the interpretation of the results in the framework of the MSSM the Standard Model analyses are combined with the hA -> bb tau+tau-, hA -> bbbb and hZ->AAqq channels. Three benchmark MSSM scenarios denoted "mh-max", "no mixing" and "large-mu" are considered. Using L3 data the lower bounds on the Higgs boson masses mh > 84.5 GeV mA > 86.3 GeV are derived at 95% C.L. for tan(beta) > 0.7. For the "mh-max", "no mixing" and "large-mu" scenarios, ranges 0.55 < tan(beta) < 2.2, 0.4 < tan(beta) < 4.9 and 0.7 < tan(beta) < 6.2, respectively, are ruled out. A model independent search for the Higgs-strahlung process with subsequent decay of h into hadrons is carried out in the four-jet channel. The results of the analysis are then combined with the other channels. A limit on the hZZ coupling as a function of the Higgs boson mass is derived. The results of L3 combined search establish a 95% C.L. lower mass limit, mh > 97 GeV, for a hadronically decaying Higgs boson assuming the cross section of the Higgs-strahlung process to be equal to the value predicted by the Standard Model and the branching fraction of the Higgs boson into hadrons equal to 100%. Analyses are developed to search exclusively for the hA -> bbbb, hA -> qqqq, hA -> bb tau+tau- and hA -> qq tau+tau- final states. Results of these analyses are translated into a 95% C.L. upper limit on the hAZ coupling as a function of Higgs boson masses. Searches for neutral Higgs bosons carried out by the L3 collaboration are combined with searches performed in other LEP experiments. The results of this combination are reported. The perspectives of Higgs boson searches at TEVATRON and LHC are briefly reviewed. The prospects of Higgs physics at a future linear e+e- collider are discussed. The potential of the TESLA detector foreseen at the TESLA linear collider for the determination of Higgs boson properties is studied. The Higgs boson masses 120, 150 and 180 GeV are considered. It is shown that a precision of 40 - 70 MeV in the measurement of the Higgs boson mass can be achieved. A model independent method to measure the e+e- -> HZ cross section is proposed. The method is based on the study of the inclusive HZ -> X e+e- and X mu+mu- channels. The relative error in the determination of the cross section varies between 2.6% and 3.8% for Higgs boson mass ranging from 120 GeV to 180 GeV. For the four-fermion and six-fermion final states arising from the Higgs-strahlung process the accuracy of the measurement of a topological cross section, defined as the product of the Higgs-strahlung cross section and the branching fraction of the specific final state, is investigated. The relative uncertainty of this measurement varies from 1.1% and 13%, depending on final state and Higgs boson mass. These and other measurements will allow to determine the profile of the Higgs boson and give insight into the structure of the Higgs sector in nature.

Orientador: Julio Marny Hoff da Silva / Banca: Marcelo B. Hott / Banca: Humberto B. Junior / Resumo: Nesta dissertação estudamos soluções do tipo vórtices, devido a quebra espontânea da simetria, no modelo de Higgs abeliano local e semilocal, modelo de Higgs semilocal com termo de quebra de Lorentz e Chern-Simons semilocal. Fazendo uso do método de Bogomol.nyi para saturar a energia e usando condições de contorno apropriadas, encontramos vórtices de energia .nita. Para garantir a estabilidade destas soluções precisamos introduzir o conceito de Topolo- gia. Associado àquele conceito vamos estudar a variedade do vácuo, devido a quebra espontânea da simetria em cada modelo que estudamos. Vamos a fazer uso do limite de Bradlow, com a .nalidade de ter uma expressão para a vorticidade e saber como ela pode estar limitada em uma determinada área. Para entendermos como a variedade do vácuo está associada com o grupo de simetria do modelo, é que abordamos o modelo de cordas semilocais. Na análise do modelo com quebras de Lorentz, estudamos um termo que está relacionado com o fenômeno de não birrefringência no setor de gauge do Modelo Padrão Estendido. Aqui encontramos que as soluções dos vórtices e a vorticidade são controladas pelo termo violador de simetria Lorentz. Por .m vamos estudar vórtices carregados no modelo de Higgs abeliano, o qual corresponde ao modelo de Chern-Simons / Abstract: In this thesis we study vortex solutions, because of spontaneous symmetry breaking, abelian Higgs model in local and semilocal, Higgs model with semilocal term break Lorentz and Chern- Simons semilocal. Making use of the method Bogomol.nyi to saturate the energy and using appropriate boundary conditions, we .nd .nite energy vortices. To ensure the stability of the solutions we must to introduce the concept of Topology. Associated with that concept we study the variety of vacuum due to spontaneous broken symmetry in each studied model. Let us to make use of limit Bradlow, in order to have an expression for the vorticity and how it may be limited in a certain area. To understand how a variety of vacuum is associated with the symmetry group of the model, the model approach is that semilocal strings. The analysis of the model with breaks Lorentz studied a term that is related to the phe- nomenon of birefringence in sector of gauge of the Standard Model extended. Here we .nd that the solutions of the vortices and vorticity are controlled by the violator term of Lorentz symmetry. Finally we will study charged vortices in abelian Higgs model, which corresponds to the Chern-Simons model / Mestre

Le Higgs est la seule particule du modèle standard qui résiste encore à la découverte. Ainsi le mécanisme de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible qui fait intervenir le champ scalaire de Higgs pour générer les masses des bosons et des fermions, reste un mystère de la physique des particules. <br /><br />Dans cette thèse, on explore de manière approfondie ce secteur scalaire du modèle standard où réside le Higgs ainsi que les autres Goldstones. Et pour réaliser cette tâche, les meilleures sondes sont d'une part les bosons vecteurs massifs avantagés par leurs couplages au Higgs et par le fait que leurs modes longitudinaux représentent les Goldstones; et d'autre part le quark top avantagé par sa masse qui est de l'ordre de grandeur de l'échelle de la brisure de la symétrie életrofaible, lui conférant ainsi une fort couplage de yukawa, d'où sa trés grande sensiblité au secteur de la brisure de symétrie.<br /><br />La masse du Higgs étant inconnue, on balaie alors tout le spectre. Ainsi, dans un premier volet, on s'interesse au cas du Higgs léger et moyennement lourd. Et comme pour pouvoir décéler, de manière univoque, un signal de nouvelle physique de celui que donnerait le modèle standard, il faut pousser au moins à d'odre de la précision expérimentale, la précision des calculs effectués via le modèle standard. On commence alors par pousser les calculs des sections efficaces électrofaibles et QCD des processus ${W^-W^+ \to t\bar{t}}$ et ${ZZ \to t\bar{t}}$ jusqu'à l'ordre de la boucle. Ceci nécessite au préalable, la renormalisation des secteurs électrofaibles scalaires et spinoriels ainsi qu'une bonne maîtrise des techniques de calcul sous-jacentes.<br />Puis pour faire la part des contributions purement électrofaibles propres aux processus d'intérêts, on établit une formule analytique permettant de quantifier la contribution photonique universelle.<br />Ensuite, pour voir comment peut se révéler un signal de nouvelle physique, on traite l'influence sur les sections efficaces différentielles angulaires, d'opérateurs effectifs paramétrant le secteur de la brisure de la symétrie.<br />Pour enfin inclure les faisceaux de bosons vecteurs massifs dans une approche fonction de structure pour une phénoménologie au plus puissant collisionneur hadronique d'aujourd'hui: le LHC (Large Hadron Collider) et au collisionneur leptonique du futur proche: l'ILC (International Linear Collider).<br /><br />Dans le deuxième volet de cette thèse, on traite du cas du Higgs lourd violant le principe d'unitarité perturbative. On suit alors la procédure initiée par Contogouris, et on construit un modèle dispersif pour l'amplitude du processus $W_LW_L \to W_LW_L$. A hautes énergies, la résolution numérique de l'équation intégrale qui découle de notre construction, nous permet de mettre en évidence, à travers les résonances de l'amplitude dispersive, les manifestations d'un comportement en force forte de l'interaction électrofaible. Une analyse attentive des résultats qu'on obtient, nous permet d'une part d'estimer la valeur de la masse d'un Higgs lourd et d'autre part d'extraire une nouvelle limite pour la validité du calcul perturbatif dans la théorie électrofaible.

Cette thèse porte sur le problème de la Matière Noire astrophysique et cosmologique.<br /><br />Dans les quatre premiers chapitres sont exposés succinctement le Modèle Standard Cosmologique, les observations démontrant la présence d'énergie et de matière noires, les modèles de matière noire les plus étudies, et diferents modèles cosmologiques ou astrophysiques reposant sur des champs scalaires. Dans les trois chapitres suivants est détaillé un modèle de matière noire bosonique basé sur l'existence d'un champ scalaire complexe et chargé dans U(1). Nous verrons que couple a un potentiel quadratique, un tel champ est susceptible d'expliquer les courbes de rotation des galaxies, tout en conservant depuis la recombinaison un comportement cosmologique de matière. Nous nous intéresserons ensuite au cas du potentiel quartique, et nous montrerons d'une part que son comportement cosmologique est lui aussi relativement bon, et d'autre part qu'il explique bien les courbes de rotation des galaxies spirales de petite taille, si problématiques pour de nombreux modèles de matière noire.

Le LHC est un collisionneur proton-proton avec une énergie de 14 TeV disponible dans le centre de masse, qui entrera en service courant 2007 au CERN. Deux de ses expériences, ATLAS et CMS, rechercheront et étudieront notamment le boson de Higgs, la Supersymétrie et toute autre nouvelle physique. Cette thèse porte sur deux aspects de l'expérience ATLAS : • d'une part la simulation du calorimètre électromagnétique à Argon liquide, en particulier la reproduction de la chaîne d'électronique pour la numérisation du signal et l'estimation du bruit d'électronique et du bruit d'empilement (dû aux événements résultant des collisions élastiques au LHC). Ces deux points ont été validés par l'analyse des données des tests en faisceau de 2002 et 2004. • d'autre part une étude de physique portant sur le modèle du Petit Higgs. Ce modèle récent a pour but de résoudre le problème de hiérarchie du Modèle Standard en introduisant de nouvelles particules lourdes pour annuler les divergences quadratiques dans le calcul de la masse du boson de Higgs. Ces nouvelles particules, d'une masse de l'ordre du TeV/c2, sont un quark top lourd, des bosons de jauges lourds ZH, WH et AH, et enfin un triplet de Higgs lourds. L'étude de physique a porté sur les désintégrations caractéristiques du modèle, ZH en Z+H et WH en W+H, avec un Higgs soit d'une masse de 120 GeV/c2 se désint´egrant en deux photons, soit de 200 GeV/c2 se désintégrant en ZZ ou WW. Les résultats montrent dans les deux cas, pour 300 fb−1 (3 ans de fonctionnement à haute luminosité), une observation du signal à 5 écart-types pour des masses de ZH et WH inférieures à 2 TeV/c2, couvrant une large partie de l'espace des paramètres.