The LHC at CERN is now undergoing a set of upgrades to increase the center of mass energy for the colliding particles to be able to explore new physical processes. The focus of this thesis lies on the so called phase II upgrade which will preliminarily be completed in 2023. After the upgrade the LHC will be able to accelerate proton beams to such a velocity thateach proton has a center of mass energy of 14 TeV. One disadvantage of the upgrade is that it will be harder for the atlas detector to isolate unique particle collisions since more and more collisions will occur simultaneously, so called pile-up. For 14 TeV there does not exist a full simulation of the atlas detector. This thesis instead uses data from Monte Carlo simulations for the particle collisions and then uses so called smearing functions to emulate the detector responses. This thesis focuses on how a mono-jet analysis looking for different wimp models of dark matter will be affected by this increase in pile-up rate. The signal models which are in focus are those which try to explain dark matter without adding new theories to the standard model or QFT, such as the effective theory D5 operator and light vector mediator models. The exclusion limits set for the D5 operators mass suppression scale at 14 TeV and 1000 fb-1are 2-3 times better than previous results at 8 TeV and 10 fb-1. For the first time limits have been set on which vector mediator mass models can be excluded at 14 TeV.

The goal of this Master thesis is to demonstrate Witteńs mechanism in selected extensions of the Standard model based on the Pati-Salam gauge group. The purpose of this mechanism is to obtain an extremely large Majorana mass term for right-handed neutrinos at the two-loop level and consequently light physical masses of neutrinos using the type I see-saw mechanism. The existence of corresponding Feynman diagrams without any interactions of vector bosons is presented. While it is impossible to construct this type of corrections in minimal SO(10) or SU(5)xU(1) model in Pati-Salam model they may be even dominant. Subsequently, implications of possible partial gauge coupling unification or even embedding of the Pati-Salam group into a gauge group of "Great Unified Theory" are considered. At the end the possibility of unacceptably fast proton decay is inspected. The discussed models are concluded to be potentially realistic but only at the cost of predictivity, since completely unknown Yukawa couplings appear in numerous key relations. 1

In this thesis, we study several scenarios which go beyond the Standard Model of particle physics with the aim of gaining a better understanding for the multiplication of fermion families, their masses and mixings pattern and its relation to CP violation. The common feature of the models we envisaged (and the guiding principle of the thesis) is the introduction of extra space dimensions. In a first attempt to explain the fermion mass structure, we elaborate on a model with two extra-dimensions and a Nielsen- Olesen vortex background established on it. In this framework, three families in 4D can be seen as different modes of a single generation in 6D, while their extra-dimensional wavefunctions turn out highly constrained by the dynamics, which allows to determined the mass matrices with few parameters. Moreover, with a few additional hypotheses only, it is possible to simultaneously account for the striking differences between neutrinos and charged fermions. After a summary of the model, we illustrate this with the explicit formulation of a benchmark model which reproduces convincingly all the mass and mixing parameters of the Standard Model, taking advantage of new, more precise numerical solutions of the field equations, and including the recent measurements of the Standard Model scalar boson mass and of the neutrino heta_13 mixing angle (the latter has however been correctly predicted by the model before its first measurement). We then turn to the predictions which mainly concern the neutrino and gauge sectors. In the former, we remind the Majorana nature, and the natural tendency for inverted hierarchy pattern with an almost maximally suppressed neutrinoless double beta decay. On the other hand, we predict new (neutral) gauge bosons whose couplings to fermions are not flavour-diagonal but are however constrained (in their strength and their flavour structure) by the 6D anatomy of the theory. We compare their detectability in precision low energy processes and at colliders (especially at the LHC), and show that in the simplest geometries at least, the bounds from the former exclude interesting phenomenology for the latter. Nevertheless, we turn to more phenomenological effective Lagrangians with the same overall structure and in which we are able to lower the mass scale of the new bosons to a reachable energy, and thus analyse the possible signatures for LHC.In the last part of this work, we turn to the issue of CP violation and show how in certain 6D models with non simply connected topologies, it is possible to generate a non negligible CP violation at the 4D level in a pure gauge approach. We carefully study how the 4D CP symmetry is related to particular transformations of the original 6D theory and subsequently show how an incompatibility of such transformations with the compactification scheme can lead to an effective CP breaking. As a proof of concept, we build a toy model with two extra-dimensions compactified on a flat torus and end in 4D with a light neutral fermion with a non zero electric dipole moment.Dans cette thèse, nous étudions plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard de la physique des particules à la recherche d'une meilleure compréhension de la multiplication des familles de fermions, de leurs masses et de leurs mélanges, ainsi que la relation à laviolation de CP.La caractéristique commune à tous les modèles envisagés (et le concept sous-jacent à toute la thèse) est l'introduction de nouvelles dimensions spatiales. Dans une première tentative pour expliquer le spectre des fermions, nous développons un modèle où une structure de vortex à la Nielsen-Olesen est établie sur deux dimensions supplémentaires. Dans ce cadre, les trois familles à 4D peuvent être vues comme différents modes d'une unique génération à 6D, tandis que leur fonctions d'onde extra-dimensionnelles s'avèrent fortement contraintes par la dynamique ;ceci permet d'établir les matrices de masses en terme d'un petit nombre de paramètres. De plus, grâce à quelques hypothèses additionnelles seulement, il est possible de justifier simultanément les différences marquées entre neutrinos et fermions chargés. Nous synthétisons le modèle et l'illustrons en en formulant une réalisation particulière qui parvient à reproduire de manière convaincante tous les paramètres de masse et de mélange du Modèle Standard. Pour l'occasion, nous exploitons de nouvelles solutions aux équations des champs, numériquement plus précises, et prenons en compte les mesures récentes de la masse du boson scalaire et de l'angle de mélange heta_13 pour les neutrinos (le modèle avait cependant prédit ce dernier avant qu'il ne soit mesuré pour la première fois). Nous nous tournons ensuite vers les prédictions du modèle et qui concernent principalement le secteur des neutrinos et celui des bosons de jauge. Pour le premier, nous rappelons la nature "Majorana" des neutrinos, ainsi que la tendance naturelle à une hiérarchie inverse avec une suppression quasi maximale de la double désintégration bêta sans neutrino. D'autre part, nous prédisons de nouveaux bosons de jauge (neutres) dont les couplages aux fermions ne sont pas diagonaux dans l'espace des saveurs mais sont contraints (autant en terme de valeurs qu'en termes de structure) par l'anatomie de la théorie à 6D. Nous comparons leurs détections potentielles dans les processus de précision à basse énergie et auprès des collisionneurs (en particulier au LHC). Nous montrons que, dans les géométries les plus simples du moins, les limites imposées par les premiers excluent toute phénoménologie intéressante du côté des seconds. Toutefois, en nous tournantvers des Lagrangiens effectifs qui conservent la même structure d'ensemble mais ouvrent à une étude plus phénoménologique, nous sommes capables de réduire l'échelle de masse de ces nouveaux bosons jusqu'à une énergie accessible, et donc d'en analyser de potentielles signatures au LHC.Dans la dernière partie de ce travail, nous nous intéressons à la question de la violation de CP et montrons comment dans certains modèles à 6D avec une topologie non-simplement connexe, il est possible de générer une violation de CP non négligeable à 4D dans une approche de "pure jauge". Nous étudions attentivement comment la symétrie CP à 4D est reliée à des transformations particulières de la théorie originale à 6D, suite à quoi nous montrons comment l'incompatibilité de ces transformations avec la façon dont sont "compactifiées" les dimensions supplémentaires peut conduire à une brisure effective de CP. Pour illustrer la faisabilité de notre approche, nous élaborons un "modèle jouet" où deux dimensions supplémentaires sont compactifiées sur un tore plat, et obtenons à 4D un fermion neutre léger et qui possède un moment électrique dipolaire non nul. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le Modèle standard de la physique de particules explique avec beaucoup de succès comment les particules fondamentales interagissent entre elles. Néanmoins, ce modèle n’est pas capable d’expliquer certains défis contemporains du domaine, comme la grande quantité de paramètres libres, le problème de la hiérarchie ou l’identité de la matière sombre. Pour expliquer ces phénomènes, il faut chercher la physique au-delà du Modèle standard. De sorte à satisfaire les contraintes provenant des mesures expérimentales, on peut considérer l’addition d’une seule nouvelle particule au Modèle standard qui se couple à deux quarks, le diquark. Sa contribution aux processus hadroniques offre une opportunité d’obtenir des limites dans ses paramètres à partir des données expérimentales contemporaines. Ceci nous permettrait d’évaluer son potentiel et d’identifier les processus auxquels cette particule peut contribuer. Parmi les états de diquarks possibles, on trouve les diquarks scalaires Dᵘ et Dᵈ, qui possèdent un couplage antisymétrique à des paires de quarks droitiers du type up ou du type down, respectivement. L’obtention des contraintes sur les valeurs de leur masse Mᴰ et leurs couplages aux quarks (x^q, y^q), où q = u, d, est l’objectif central de ce travail. Pour cela, on considère tout d’abord des recherches directes dans la production de dijet, la signature expérimentale des désintégrations de ces particules. Ensuite, on sonde l’influence indirecte du diquark Dᵘ dans les mesures expérimentales de la section efficace de production d’un seul quark top. Les données expérimentales obtenues dans le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) pour ces processus à haute énergie sont utilisées pour comparer les prédictions théoriques de ces modèles et quantifier leur viabilité en fournissant de nouvelles contraintes sur ses paramètres. On est capable d’améliorer les contraintes trouvées dans la littérature de |xᵘ| ≤ 14,4 à |xᵘ| ≤ 0,13–0,15 pour Dᵘ et de |xᵈyᵈ| ≤ 0,022 avec |yᵈ| ≤ 0,17 à |xᵈ| ≤ 0,15–0,17 pour Dᵈ, les deux avec une masse de Mᴰ = 600 GeV. De plus, l’analyse des données pour la production d’un seul quark top montre que la réduction de l’espace de phase des pᵀ peut améliorer encore plus ces contraintes. / The Standard Model of particle physics explains with great success how fundamental particles interact. However, this model cannot explain some contemporary challenges of the domain, such as the large number of free parameters, the hierarchy problem or the identity of dark matter. To explain these phenomena, we need to search for physics beyond the Standard Model. In order to satisfy the existing constraints from experimental measurements, we can consider the addition of a single new particle to the Standard Model that couples to two quarks, a diquark. Its contribution to hadronic processes offers an opportunity to set limits on its parameters from contemporary experimental data. This would allow us to evaluate their potential and identify processes to which they can contribute. Among the possible diquark states, we find the scalar diquarks Dᵘ and Dᵈ, which have an antisymmetric coupling to pairs of right-handed up-type or down-type quarks, respectively. To obtain constraints on their mass Mᴰ and on their couplings to quarks (x^q, y^q), where q = u, d, is the main goal of this work. In order to do so, we start by considering direct searches in the production of dijet, the experimental signature of the decay of these particles. Afterwards, we probe the indirect influence of the Dᵘ diquark to the experimental measurements of the single-top-production cross section. Recent data for both of these processes from the Large Hadron Collider (LHC) is used to compare the theoretical predictions of these models and quantify their viability by providing new constraints on its parameters. We are able to improve the constraints found in the literature from |xᵘ| ≤ 14.4 to |xᵘ| ≤ 0.13–0.15 for Dᵘ and from |xᵈyᵈ| ≤ 0.022 to |yᵈ| ≤ 0.17 to |xᵈ| ≤ 0.15–0.17 for Dᵈ, both with masses of Mᴰ = 600 GeV. Other than that, the analysis of the data from single top production shows that the reduction of the pᵀ space can further improve these constraints.

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit trois des quatre interactions fondamentales et toutes ses prédictions ont été confirmées expérimentalement. Cependant, il reste encore des questions auxquelles le Modèle Standard ne peut répondre. Plusieurs pistes théoriques sont explorées et certaines prédisent de nouvelles particules se désintégrant en paire de quarks top-antitop qui pourraient être observé par le détecteur ATLAS auprès du collisionneur LHC.À partir de 2026, le LHC redémarrera après avoir fait l'objet d'une importante phase d'amélioration afin d'augmenter sa luminosité. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les études réalisées sur FATALIC, une puce qui a été proposée pour le remplacement de l'électronique frontale du calorimètre hadronique à tuiles d'ATLAS. Les études ont montré que FATALIC est capable de reconstruire les paramètres d'un signal analogique en utilisant trois canaux de gain et un changement de gain dynamique. Les simulations ont démontré que les performances attendues de la voie rapide de FATALIC entraient dans les spécifications demandées.Ensuite, a été présentée une recherche de nouvelles résonances se désintégrant en paire de quarks top-antitop, utilisant 36,1 fb-1 de données issues des collisions proton-proton à 13 TeV au LHC pendant les années 2015 et 2016. Cette recherche s'est concentrée sur le canal de désintégration semi-leptonique de la paire top-antitop, où l'état final possède une signature comprenant exactement un lepton, des jets hadroniques et de l'énergie transverse manquante. L'estimation du bruit de fond multi-jets a été présentée en détail. Une recherche dans le spectre de masse invariante de la paire top-antitop a été effectuée pour les deux topologies résolue et boostée et la compatibilité des données par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été testée. Aucune déviation significative par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été trouvée et des limites sur les sections efficaces de production de signaux issus des modèles considérés furent mises.Les difficultés rencontrées lors de l'estimation des bruits de fond et du pré-traitement des incertitudes systématiques pour l'analyse à 36,1 fb-1 ont motivé la recherche d'une nouvelle méthode pour l'estimation du bruit de fond globale. L'algorithme Décomposition Fonctionnelle (FD) est une nouvelle méthode permettant de rechercher de nouvelles particules dans un spectre de masse invariante, en séparant la contribution du bruit de fond de celles des contributions résonantes. FD a été testé dans le but de vérifier ses performances sur des pseudo-données des analyses top-antitop et « 4t BSM ». Dans un premier temps, des tests ont été menés sur la propension de FD à créer de faux signaux dans les spectres de masses invariantes. La première version s'est montrée sensible à ce problème. FD a ensuite été amélioré pour réduire la sensibilité à la création de faux signal. Enfin, des études d'injections de signal ont été réalisées et FD a montré des difficultés à modéliser la contribution du signal et à la séparer du bruit de fond pour des largeurs de signal supérieures à 3%. / The Standard Model of particle physics describes three of the four fundamental interactions and all of its predictions have been experimentally confirmed. However, there are still questions that the Standard Model cannot answer. Several theoretical models are being explored and some predict new resonances that would decay into a top-antitop quarks pair that could be observed by the ATLAS detector at the LHC collider.In 2026, the LHC will restart after a significant improvement phase to increase its luminosity. It's in this context that the studies on FATALIC, a chip that has been proposed for the replacement of the front-end electronics of the ATLAS hadronic tile calorimeter, were achieved. The studies showed that FATALIC was able to reconstruct the parameters of an analog signal using three gain channels and a dynamic gain switch. The simulations showed that the expected performance of FATALIC's fast channel was within the required specifications.Then, a search for new particles decaying into a top-antitop quarks pair was presented, using 36.1 fb-1 data from the proton-proton collisions at 13 TeV of the LHC for the years 2015 and 2016. This search concentrate on the semi-leptonic decay channel of the top-antitop quarks pair, where the final state has a signature with exactly one lepton, hadronic jets and missing transverse energy. The estimate of the multi-jets background noise was presented. A search in the top-antitop invariant mass spectrum was performed in the two topology resolved and boosted and the compatibility of the data with respect to the Standard Model predictions was tested. No significant deviation from the Standard Model's predictions was found and limits on benchmark models signal cross sections were set.The difficulties encountered in estimating the background noises and on the profiling of the systematic uncertainties for the 36.1 fb-1 analysis has motivated the search for a new method to perform the global background estimate. The Functional Decomposition (FD) algorithm is a new method to search for new particles in an invariant mass spectrum, separating the contribution of the background noise to those of the resonant contributions. FD has been tested to verify its performance on pseudo-data from the top-antitop and « 4t BSM » analyses. First, tests were conducted to check if FD was creating spurious signal. The first version suffered of this problem and FD was then improved to reduce the amount of spurious signal. Finally, signal injection studies were carried out and FD showed difficulties to model the signal's contribution and to separate it from the background noise for signal with widths greater than 3%.