En juillet 2012, le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs qui est la dernière particule manquante du Modèle Standard (MS). Le boson de Higgs a été observé dans différents canaux. La mesure précise de ses propriétés est maintenant très importante pour rechercher des déviations par rapport au SM. Cette thèse présente une recherche du boson de Higgs produit en association avec une paire de quarks top et se désintégrant en une paire de b quark, le canal ttH(H → bb) , en utilisant les données de collisions proton-proton à √s = 13 TeV, collectées avec le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Ce document détaille en particulier la reconstruction du systéme ttH et la séparation du signal du bruit de fond principal tt + jets. Des études récentes montrent qu'il existe une fraction importante du bruit de fond ttbb avec des jets contenant deux hadrons b. Un nouvel algorithme a été développé pour séparer ces jets des jets contenant un seul b-hadron. La description de cet outil est présenté dans cette thèse. / In July 2012, CERN announced the discovery of the Higgs boson, the last missing piece of the Standard Model (SM). The Higgs boson was observed in different channels. Precise measurement of its properties is now very important to investigate for possible deviations from the SM. This thesis presents a search for the Higgs boson produced in association with top quarks and decaying to a b quark pair, the ttH(H→bb) channel, using proton-proton collisions at √s = 13 TeV, collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. This document details in particular the full reconstruction of the ttH(H→bb) system and the discrimination between signal and the main background, tt+jets. The ttbb is a subset of the tt+jets backgrounds recent studies show that there is a large fraction of ttbb events with jets containing two b-hadrons. A new algorithm has been developed to discriminate such jets from single b-hadrons jets. The description of this tool is presented in this thesis.

A search for vector-like quarks (VLQs) decaying to a Z boson using multi-stage machine learning was compared to a search using a standard square cuts search strategy. VLQs are predicted by several new theories beyond the Standard Model. The searches used 20.3 inverse femtobarns of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV collected with the ATLAS detector in 2012 at the CERN Large Hadron Collider. CLs upper limits on production cross sections of vector-like top and bottom quarks were computed for VLQs produced singly or in pairs, Tsingle, Bsingle, Tpair, and Bpair. The two stage machine learning classification search strategy did not provide any improvement over the standard square cuts strategy, but for Tpair, Bpair, and Tsingle, a third stage of machine learning regression was able to lower the upper limits of high signal masses by as much as 50%. Additionally, new test statistics were developed for use in the Neyman construction of confidence regions in order to address deficiencies in current frequentist methods, such as the generation of empty set confidence intervals. A new method for treating nuisance parameters was also developed that may provide better coverage properties than current methods used in particle searches. Finally, significance ratio functions were derived that allow a more nuanced interpretation of the evidence provided by measurements than is given by confidence intervals alone.

In dieser Arbeit nutzen wir Effektive Feldtheorien, genauer gesagt die SMEFT, um BSM-Effekte modellunabhängig zu parametrisieren. Wir demonstrieren die Relevanz von Präzisionsmessungen sowohl an aktuellen als auch an zukünftigen Hadronenbeschleunigern durch die Untersuchung von Vh-Dibosonen-Prozessen. Diese Prozesse ermöglichen uns die Untersuchung einer Reihe von Dimension-6-Operatoren, die BSM-Effekte erzeugen, die mit der Schwerpunktsenergie wachsen. Im Besonderen betrachten wir die leptonischen Zerfallskanäle der Vektorbosonen und zwei verschiedene Zerfallsmodi des Higgs-Bosons, den Diphoton-Kanal und den h->bb-Kanal. Der Diphoton-Kanal zeichnet sich durch eine saubere Signatur aus, die mit relativ einfachen Mitteln sehr gut von den relevanten Hintergründen unterschieden werden kann. Aufgrund der geringen Rate dieses Higgs-Zerfallskanals werden diese Prozesse allerdings erst für die Untersuchung von BSM-Effekten am FCC-hh relevant. Dank des großen h->bb Verzweigungsverhältnisse liefert der Vh(->bb)-Kanal bereits eine kompetitive Sensitivität für BSM-Effekte am LHC. Jedoch leidet dieser Kanal unter großen QCD-induzierten Hintergründen, weswegen ausgefeiltere Analysetechniken nötig sind, um dieses Niveau an BSM-Sensitivität zu erreichen. Wir leiten die erwarteten Schranken für die zuvor erwähnten Operatoren für den Vh(->gamma gamma)-Kanal am FCC-hh und für den Vh(->bb)-Kanal am LHC Run 3, HL-LHC und FCC-hh her. Unsere Studie des Vh(->bb)-Kanals zeigt, dass die Extraktion von Schranken für BSM-Operatoren an Hadronenbeschleunigern eine höchst nicht-triviale Aufgabe sein kann. Algorithmen des Maschinellen Lernens können potenziell nützlich zur Analyse solch komplexer Event-Strukturen sein. Wir leiten Schranken her, indem wir Boosted Decision Trees zur Signal-Hintergrund Klassifizierung benutzen und und vergleichen sie mit den Schranken aus der zuvor diskutierten Cut-and-Count Analyse. Wir finden eine leichte Verbesserung von O(einige %) für die verschiedenen Operatoren. / In this thesis, we utilise the framework of Effective Field Theories, more specifically the Standard Model Effective Field Theory, to parameterise New-Physics effects in a model-independent way. We demonstrate the relevance of precision measurements both at current and future hadron colliders by studying Vh-diboson-production processes. These processes allow us to probe a set of dimension-6 operators that generate BSM effects growing with the center-of-mass energy. More specifically, we consider the leptonic decay channels of the vector bosons and two different decay modes of the Higgs boson, the diphoton channel and the hadronic h->bb channel. The diphoton channel is characterised by a clean signature that can be separated very well from the relevant backgrounds with relatively simple methods. However, due to the small rate of this Higgs-decay channel, these processes will only become viable to probe New-Physics effects at the FCC-hh. Thanks to the large h->bb branching ratio, the Vh(->bb) channel already provides competitive sensitivity to BSM effects at the LHC. However, it suffers from large QCD-induced backgrounds that require us to use more sophisticated analysis techniques to achieve this level of BSM sensitivity. We derive the expected bounds on the previously mentioned dimension-6 operators from the Vh(->gamma gamma) channel at the FCC-hh and from the Vh(->bb) channel at the LHC Run 3, HL-LHC and FCC-hh. Our study of the Vh(->bb) channel demonstrates that extracting bounds on BSM operators at hadron colliders can be a highly non-trivial task. Machine-Learning algorithms can potentially be useful for the analysis of such complex event structures. We derive bounds using Boosted Decision Trees for the signal-background classification and compare them with the ones from the previously discussed cut-and-count analysis. We find a mild improvement of O(few %) across the different operators.

his thesis implements a multivariate analysis in the current cut- based search for the charged Higgs bosons, which are new scalar particles predicted by several extensions to the Standard Model. Heavy charged Higgs bosons (mH± mtop) produced in association with a top quark de- caying via H± → τν are considered. The final state contains a hadronic τ decay, missing transverse energy and a hadronically decaying top quark. This study is based on Monte Carlo samples simulated at CM-energy √ s = 13 TeV for signal and backgrounds. The figure of merit to measure the improvement of the new method with respect to the old analysis is the separation between the signal and background distributions. Four mass points (mH± = 200, 400, 600, 1000 GeV) are considered, and an increase of the separation ranging from 2.6% (1000 GeV) to 29.2% (200 GeV) com- pared to the current cut-based analysis is found. / Denna studie implementerar en flervariabel-analys till den befintliga snitt-baserade analysen av laddade Higgs-bosoner, nya skal ̈arpartiklar fo ̈rutsagda av flertalet fo ̈rl ̈angningar av Standardmodellen. Studien antar tunga lad- dade Higgs-bosoner (mH± mtop) producerade tillsammans med en top- kvark som fo ̈rfaller via H± → τν. Sluttillst ̊andet best ̊ar av ett hadroniskt τ-so ̈nderfall, f ̈orlorad transversell energi och en hadroniskt so ̈nderfallande √ toppkvark. Studien a ̈r baserad p ̊a data f ̈or signal och bakgrund. Fo ̈r att ma ̈ta fo ̈rba ̈ttringen av analysens ka ̈nslighet anva ̈nds avst ̊and mellan bakgrundens och signalens distribu- tioner som godhetstal. Fyra masspunkter (mH± = 200, 400, 600, 1000 GeV) anva ̈nds, och en o ̈kning av avst ̊and fr ̊an 2.6% (1000 GeV) till 29.2% (200 GeV) hittades.

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Soil spectroscopy has experienced a tremendous increase in soil property characterisation, and can be used not only in the laboratory but also from the space (imaging spectroscopy). Partial least squares (PLS) regression is one of the most common approaches for the calibration of soil properties using soil spectra. Besides functioning as a calibration method, PLS can also be used as a dimension reduction tool, which has scarcely been studied in soil spectroscopy. PLS components retained from high-dimensional spectral data can further be explored with the gradient-boosted decision tree (GBDT) method. Three soil sample categories were extracted from the Land Use/Land Cover Area Frame Survey (LUCAS) soil library according to the type of land cover (woodland, grassland, and cropland). First, PLS regression and GBDT were separately applied to build the spectroscopic models for soil organic carbon (OC), total nitrogen content (N), and clay for each soil category. Then, PLS-derived components were used as input variables for the GBDT model. The results demonstrate that the combined PLS-GBDT approach has better performance than PLS or GBDT alone. The relative important variables for soil property estimation revealed by the proposed method demonstrated that the PLS method is a useful dimension reduction tool for soil spectra to retain target-related information.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique. / Discovered in 1995 at Fermilab, top quark is the last quark discovered. The measurement of its properties allows to test Standard Model predictions and to constraint Higgs boson mass. Due to its properties, the top quark is a privileged partner in the search for New Physics particles expected around TeV scale. This thesis, performed using the ATLAS detector at LHC, describes the different methods developed in order to measure precisely the top quark mass in its semileptonic decay. Two reconstruction methods are presented as well as a dedicated one based on Boosted Decision Trees. Its performances are quantified The precise measurement of the top quark mass needs a deep understanding of the jet energy scale. This thesis presents two strategies to calibrate light and b jets to the partonic scale. The performance of a kinematical fit applied to top mass measurement are presented. A precise measurement of the top quark mass is done using a calibrated scale to the partonic level.

Soil spectroscopy has experienced a tremendous increase in soil property characterisation, and can be used not only in the laboratory but also from the space (imaging spectroscopy). Partial least squares (PLS) regression is one of the most common approaches for the calibration of soil properties using soil spectra. Besides functioning as a calibration method, PLS can also be used as a dimension reduction tool, which has scarcely been studied in soil spectroscopy. PLS components retained from high-dimensional spectral data can further be explored with the gradient-boosted decision tree (GBDT) method. Three soil sample categories were extracted from the Land Use/Land Cover Area Frame Survey (LUCAS) soil library according to the type of land cover (woodland, grassland, and cropland). First, PLS regression and GBDT were separately applied to build the spectroscopic models for soil organic carbon (OC), total nitrogen content (N), and clay for each soil category. Then, PLS-derived components were used as input variables for the GBDT model. The results demonstrate that the combined PLS-GBDT approach has better performance than PLS or GBDT alone. The relative important variables for soil property estimation revealed by the proposed method demonstrated that the PLS method is a useful dimension reduction tool for soil spectra to retain target-related information.

La théorie de la Supersymétrie est étudiée ici en tant que théorie complémentaire au Modèle Standard, sachant que celui-ci n'explique qu'environ 5% de l'univers et est incapable de répondre à plusieurs questions fondamentales en physique des particules. Ce mémoire contient les résultats d'une recherche de Supersymétrie effectuée avec le détecteur ATLAS et utilisant des états finaux contenant entre autres une paire de leptons de même charge électrique ou trois leptons. Les données proviennent de collisions protons-protons à 13 TeV d'énergie dans le centre-de-masse produites au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en 2015. L'analyse n'a trouvé aucun excès significatif au-delà des attentes du Modèle Standard mais a permis tout de même de poser de nouvelles limites sur la masse de certaines particules supersymétriques. Ce mémoire contient aussi l'étude exhaustive d'un bruit de fond important pour cette analyse, soit le bruit de fond provenant des électrons dont la charge est mal identifiée. L'extraction du taux d'inversion de charge, nécessaire pour connaître combien d'événements seront attribuables à ce bruit de fond, a démontré que la probabilité pour que la charge d'un électron soit mal identifiée par ATLAS variait du dixième de pourcent à 8-9% selon l'impulsion transverse et la pseudorapidité des électrons. Puis, une étude fut effectuée concernant l'élimination de ce bruit de fond via l'identification et la discrimination des électrons dont la charge est mal identifiée. Une analyse multi-variée se servant d'une méthode d'apprentissage par arbres de décision, basée sur les caractéristiques distinctives de ces électrons, montra qu'il était possible de conserver un haut taux d'électrons bien identifiés (95%) tout en rejetant la grande majorité des électrons possédant une charge mal identifiée (90-93%). / Since the Standard Model only explains about 5% of our universe and leaves us with a lot of open questions in fundamental particle physics, a new theory called Supersymmetry is studied as a complementary model to the Standard Model. A search for Supersymmetry with the ATLAS detector and using final states with same-sign leptons or three leptons is presented in this master thesis. The data used for this analysis were produced in 2015 by the Large Hadron Collider (LHC) using proton-proton collisions at 13 TeV of center-of-mass energy. No excess was found above the Standard Model expectations but we were able to set new limits on the mass of some supersymmetric particles. This thesis describes in detail the topic of the electron charge-flip background, which arises when the electric charge of an electron is mis-measured by the ATLAS detector. This is an important background to take into account when searching for Supersymmetry with same-sign leptons. The extraction of charge-flip probabilities, which is needed to determine the number of charge-flip events among our same-sign selection, was performed and found to vary from less than a percent to 8-9% depending on the transverse momentum and the pseudorapidity of the electron. The last part of this thesis consists in a study for the potential of rejection of charge-flip electrons. It was performed by identifying and discriminating those electrons based on a multi-variate analysis with a boosted decision tree method using distinctive properties of charge-flip electrons. It was found that we can reject the wide majority of mis-measured electrons (90-93%) while keeping a very high level of efficiency for well-measured ones (95%).

Les désintégrations rares B0(s)→ll sont générées par des courants neutres avec changement de la saveur. Pour cette raison, ainsi qu'à cause de la suppression d'hélicité, leurs taux de désintégration sont très petits dans le Modèle Standard (MS), mais la présence de particules virtuelles de Nouvelle Physique peut radicalement modifier cette prédiction. Une partie du travail original présenté dans cette thèse est dédié à l'optimisation de l'algorithme d'Analyse Multi Varié (MVA) pour la recherche de la désintégration B0(s)→μμ avec l'échantillon collecté par l'expérience LHCb. Cet échantillon a été combiné avec celui collecté par l'expérience CMS et pour la première fois la désintégration B0(s)→μμ a été observée. En vue d'améliorer la sensibilité au mode B0(s)→μμ de nouvelles études ont également été menées pour augmenter la performance des analyses multivariées. Une autre partie du travail original présenté dans cette thèse concerne la définition d'une chaine de sélection pour la recherche des désintégrations B0(s)→τ τ dans l'état final où les deux τ vont en trois π chargées et un τ est étudié. La présence des deux ν dans l'état final de la désintégration rend difficile une reconstruction des impulsions des deux τ. Cependant, la possibilité de mesurer les deux vertex de désintégration des τ ainsi que le vertex d'origine du candidat B, permet d'imposer des contraintes géométriques qui peuvent être utilisées dans la reconstruction des impulsions des deux τ. En particulier, un nouvel algorithme pour la reconstruction complété, événement par événement, de ces impulsions et de leurs variables associées est présenté et discuté. / The B0(s)→ll decays are generated by Flavor Changing Neutral Currents, hence they can proceed only through loop processes. For this reason, and because of an additional helicity suppression, their branching ratios are predicted to be very small in the Standard Model (SM). A part of the original work presented in this thesis has been devoted to the optimization of the Multi Variate Analysis classifier for the search of the B0(s)→μμ with the full dataset collected at LHCb. This dataset has also been combined with the one collected from CMS to obtain the first observation of B0(s)→μμ has been obtained. In view of the update of the analysis aiming to improve the sensitivity for the B0(s)→μμ mode, a new isolation variable, exploiting a topological vertexing algorithm, has been developed and additional studies for a further optimization of the MVA classifier performances have been done. The presence of two ν in the final state of the decay makes the reconstruction of the τ momenta of the two τ. Nevertheless the possibility of measuring the two decay vertexes of the τ, as well as the B candidate production vertex, allows to impose geometrical constraints that can be used in the reconstruction of the τ momenta. In particular, a new algorithm for the full reconstruction of each event of these momenta and of related variables has been presented and discussed.