Cette thèse présente une recherche de la production de paires de bosons de Higgs en utilisant les données des collision proton-proton à sqrt(s) = 13 TeV enregistrées avec les détecteur CMS auprès du LHC du CERN. Les évènements avec les deux boson de Higgs se désintégrant en une paire de quark b et de leptons tau (HH -> bb tau+tau-) sont utilisés pour l’exploration des mécanismes de production résonante et non-résonante.La mesure de la production de HH est expérimentalement difficile à cause de la petite section efficace prévue par le modèle standard de la physique des particules. Sa recherche est néanmoins motivée par les informations qu’elle peut révéler sur la nature de la brisure de la symétrie électrofaible. La production de HH donne accès à l’auto-couplage trilineaire du boson de Higgs et, par conséquent, à la forme du potentiel scalaire. En plus, elle est sensible à la présence de physique au-délà du modèle standard. La présence de nouvelles résonances se désintégrant en HH et de couplages anormales du boson de Higgs sont étudiées dans ce travail.Les leptons tau ont un rôle de premier plan dans cette recherche et un effort important a été consacré à l’amélioration de leur efficacité de sélection par le système de déclenchement de l’expérience CMS. En particulier, le déclenchement de premier niveau (L1) a été amélioré pour faire face aux nouvelles conditions des collisions du Run II du LHC, marqué par une augmentation de l’énergie dans le centre de masse et de la luminosité instantanée. Ce nouveau système de déclenchement permet de développer un algorithme spécifique pour la reconstruction des leptons tau se désintégrant en hadrons (tauh) et un neutrino.Cet algorithme se fonde une technique avancée de regroupement dynamique de l’énergie et utilise des critères dédiés pour la réjection du bruit de fond. Le développement, l’implementation, et la vérification de son fonctionnement pour le redémarrage du LHC sont présentés ici. La performance de l’algorithme est initialement évaluée grâce à une simulation et puis mesurée avec les données de l’expérience CMS. Son excellente performance est un element essentiel dans la recherche de la production de HH.L’investigation du processus HH -> bb tau+tau- utilise les trois canaux de désintégration du système tau+tau- avec au moins un tauh dans l’état final. La sélections et categorisation des évènements sont conçues pour optimiser la sensibilité de la recherche, et des techniques d’analyse multivariés sont mises en place pour distinguer le signal du bruit de fond.Les résultats sont présentés en utilisant une luminosité intégrée de 35.9 fb-1. Ils sont compatibles, dans les incertitudes expérimentales, avec les prédictions du modèle standard pour les bruits de fond. Des limites supérieures à la production résonante de HH sont évaluées et interprétées dans le contexte du modèle standard supersymmétrique minimal. Les limites supérieures à la production non-résonante permettent de contraindre l’espace des paramètres des couplages anormales du boson de Higgs. Les limites supérieures observées et attendues correspondent respectivement à environ 30 et 25 fois la prédiction du modèle standard. Ils représentent l’un des résultats les plus sensibles à la production de HH atteint jusqu'à présent au LHC.Les perspectives pour l‘observation de la production de HH au LHC sont enfin discutées. Les résultats précédemment obtenus sont extrapolés à une luminosité intégrée de 3000 fb-1 sous des différentes assomptions pour la performance du détecteur et de l’analyse. / This thesis describes a search for Higgs boson pair (HH) production using proton-proton collision data collected at sqrt(s) = 13 TeV with the CMS experiment at the CERN LHC. Events with one Higgs boson decaying into two bottom quarks and the other decaying into two tau leptons (HH -> bb tau+tau-) are explored to investigate both resonant and nonresonant production mechanisms. The measurement of HH production is experimentally challenging because of the tiny cross section predicted by the standard model of particle physics (SM). However, this process can reveal invaluable information on the nature of electroweak symmetry breaking by giving access to the Higgs boson trilinear self-coupling and, consequently, to the shape of the scalar potential itself. Moreover, HH production is sensitive to the presence of physics beyond the SM. Both the presence of new states decaying to HH and of anomalous Higgs boson couplings are investigated in this work.Tau leptons have a key role in this search and considerable effort has been devoted to ensure a high efficiency in their selection by the trigger system of the CMS experiment. In particular, the CMS Level-1 (L1) trigger was upgraded to face the increase in the centre-of-mass energy and instantaneous luminosity conditions expected for the LHC Run II operations. The upgrade opened up the possibility to develop an efficient and dedicated algorithm to reconstruct tau leptons decaying to hadrons (tauh) and a neutrino.The tau algorithm implements a sophisticated dynamic energy clustering technique and dedicated background rejection criteria. Its development, optimisation, implementation, and commissioning for the LHC restart are presented. The algorithm performance is initially demonstrated using a simulation and subsequently measured with the data collected with the CMS experiment. The excellent performance achieved is an essential element of the search for HH production.The investigation of the HH -> bb tau+tau- process explores the three decay modes of the tau+tau- system with at least one tauh object in the final state. A dedicated event selection and categorisation is developed and optimised to enhance the sensitivity, and multivariate techniques are applied for the first time to these final states to separate the signal from the background.Results are derived using an integrated luminosity of 35.9 fb-1. They are found to be consistent, within uncertainties, with the SM background predictions. Upper limits on resonant production are set and interpreted in the context of the minimal supersymmetric standard model. Upper limits on nonresonant production constrain the parameter space for anomalous Higgs boson couplings. The observed and expected upper limit are about 30 and 25 times the SM prediction, respectively, corresponding to one of the most stringent limits set so far at the LHC.Finally, prospects for future measurements of HH production at the LHC are evaluated by extrapolating the current results to an integrated luminosity of 3000 fb-1 under different detector and analysis performance scenarios.

This thesis presents a search for neutral bosons, such as new Higgs and Z' bosons, predicted by theories extending the Standard Model of particle physics. The search is performed in the di-tau analysis channel, where both tau leptons decay hadronically. Promising candidates of such theories are the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and the non-universal G(221) model, which predict large couplings to tau leptons in large regions of their parameter space. Proton–proton collisions produced by the Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded with the ATLAS detector in 2015 and 2016, are analyzed for this search. The data correspond to an integrated luminosity of 36.1 fb^-1. This search relies on sophisticated algorithms for the reconstruction of hadronic tau decays from their decay products. This thesis presents a novel approach employing multivariate techniques to significantly improve existing algorithms, which became the default for reconstruction of hadronic tau decays in ATLAS since 2017. Additionally, the new method can provide useful information for subsequent tau identification algorithms. The MSSM extends the Higgs sector of the Standard Model by four additional Higgs bosons. Of particular interest for this thesis are the neutral CP-even H and CP-odd A bosons. The search for these bosons is performed in the mass range of 0.2 TeV to 2.25 TeV in two orthogonal categories depending on the number of identified b-quarks, each preferring one of the two considered production modes via gluon–gluon fusion or b-associated production. The data are in good agreement with the Standard Model prediction. Upper limits are set on the cross-section times branching fraction using a confidence level (CL) of 95 % independently for both production modes. Most stringent observed limits are found for a resonance mass of 1.5 TeV to be 4.94 fb and 3.65 fb for gluon–gluon fusion and b-associated production, respectively. The results are further interpreted in the hMSSM, mhmax and mhmod scenarios. Observed upper limits in the hMSSM scenario on tanβ are found to be between 4.6 at mA = 0.25 TeV and 41.4 at mA = 1.5 TeV. The search for additional Z' bosons is performed independently on the number of identified b-quarks in the mass range of 0.2 TeV to 4 TeV. As for the search for additional Higgs bosons no significant hint for new physics has been observed. 95 % CL observed upper limits are set on the cross-section times branching fraction for Z' bosons in the Sequential Standard Model (SSM) benchmark scenario between 20.5 pb at mZ' = 0.2 TeV and 7.74 fb at mZ' = 1.75 TeV. The observed upper limit for the highest considered mass of mZ' = 4 TeV is found to be 16 fb. Z' bosons in the SSM and the non-universal G(221) model are excluded at 95 % CL for masses below 2353 GeV and 2232 GeV, respectively.

This thesis presents an analysis of misidentified leptons in the Higgs boson decaychannel H → W W ∗ → lνlν. Misidentified leptons, resulting from jets misidentifiedas leptons, mimic the signal of a Higgs boson decay, resulting in a backgroundcontribution to the signal. The analysis is performed on proton-proton collisions ata center-of-mass energy of 13.6 TeV recorded by the ATLAS experiment at CERN’sLarge Hadron Collider. The estimation of misidentified leptons is done using theso-called Fake Factor method, which is used to assess the contributed backgroundwith misidentified leptons in the signal region. The Fake Factor values increasewith increasing momenta for misidentified electrons while it remains constant formisidentified muons. An analysis of the impact parameters d0 and z0 show thatthe accuracy of the Monte Carlo simulation to correctly predict the contribution ofmisidentified leptons from heavy quarks is high. / Denna avhandling presenterar en analys av felaktigt identifierade leptoner i Higgsbosonens sönderfallskanal H → W W ∗ → lνlν. Felaktigt identifierade leptoner frånhadroner imiterar signalen av ett sönderfall från en Higgs boson, vilket resulterar ibakgrund till signalen. Analysen utförs på proton-proton kollisioner med energier på13.6 TeV som samlats in av ATLAS-experimentet vid CERNs Large Hadron Collider.Denna avhandling fokuserar främst på uppskattningen av felaktigt identifieradeleptoner genom användningen av Fake Factor-metoden, vilket används för att bedömaden bidragande bakgrunden med felidentifierade leptoner i signalregionen. Värdenaför Fake Factors ökar med ökande rörelsemängd för felidentifierade elektroner medanför det förblir konstant för felidentifierade muoner. En analys av ”impact parameters”d0 och z0 visar att Monte Carlo-simuleringens noggrannhet att uppskatta antaletfelidentifierade leptoner från tunga kvarkar är hög.

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.

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider ergeben sich auf Grundlage der beobachteten Masse weitreichende Konsequenzen für das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) sowie für darüber hinausgehende physikalische Theorien. In supersymmetrischen Modellen ist es möglich, die Masse des SM-artigen Higgs-Bosons vorherzusagen. Dies lässt Rückschlüsse auf das Massenspektrum der bisher unentdeckten Teilchen zu. Die gegenwärtigen Ausschlussgrenzen für einige supersymmetrische Teilchen liegen oberhalb der TeV-Skala. In Szenarien mit großen Abständen im Massenspektrum wird die Präzision der Higgs-Massenvorhersage durch die Resummation logarithmischer Terme, die von den Massen der zusätzlichen Teilchen abhängen, erheblich verbessert. Die Methode FlexibleEFTHiggs ermöglicht eine Berechnung der Higgs-Masse, die sowohl große Logarithmen resummiert als auch alle weiteren Terme bis zu einer festen Ordnung in der Störungstheorie berücksichtigt. In vorhergehenden Arbeiten wurde die Methode FlexibleEFTHiggs als Modul in das Softwarepaket FlexibleSUSY integriert. Um die Genauigkeit der Higgs-Massenberechnung zu optimieren, werden in dieser Arbeit Erweiterungen des FlexibleEFTHiggs-Ansatzes beschrieben, wobei ein Schwerpunkt in der konkreten Anwendung auf das Minimale Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) besteht. Dies erfordert eine Weiterentwicklung des Verfahrens zur Bestimmung der quartischen Higgs-Kopplung. In diesem Zusammenhang wird die Bedeutung der Parametrisierung in den verwendeten Relationen erläutert und die Reihenentwicklung in SM-Kopplungen konsequent auf ein-Schleifenniveau trunkiert. Die vorgestellte Modifikation ist modellunabhängig und ermöglicht eine Resummation der nächstführenden Logarithmen (NLL). In Bezug auf die Resummation von Logarithmen höherer Ordnung sind weitere Änderungen in der Gleichung zur Bestimmung der quaritschen Kopplung erforderlich. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, die Beziehung durch eine Reihenentwicklung unter Verwendung der Parameter des vollständigen Modells auszudrücken. Basierend auf dem bestehenden MSSM-Spektrumgenerator in FlexibleSUSY, welcher Higgs-Massenkorrekturen bis zum Dreischleifenniveau berücksichtigt, wird eine Higgs-Massenberechnung unter Verwendung der hier entwickelten Neugestaltung der FlexibleEFTHiggs-Methode realisiert. In Verbindung mit dem Lösen der Gleichungen der Renormierungsgruppen auf vier-Schleifenniveau, ergibt sich somit eine Resummation der Logarithmen von bis zu N3LL. Zudem ermöglicht die Parametrisierung mittels der Parameter des vollen Modells eine Resummation von Beiträgen mit höchster Potenz in der Squark-Higgs-Kopplung Xq. Um dies darzulegen, werden systematische Betrachtungen des Auftretens von Xq in MSSM Green-Funktionen und Schwellenkorrekturen in zwei Parametrisierungen vorgestellt. Anschließend werden Resummationsgleichungen angegeben und die verbesserten Konvergenzeigenschaften aufgrund der Xq-Resummation in der neuen FlexibleEFTHiggs-Berechnung demonstriert. Zudem werden weitere numerische Ergebnisse vorgestellt und eine ausführliche Analyse der theoretischen Unsicherheiten für Referenzszenarien diskutiert. / Since the discovery of the Higgs boson at the Large Hadron Collider, the observed mass led to far-reaching consequences for the Standard Model of particle physics (SM) and for theories beyond it. In supersymmetric models, the mass of the SM-like Higgs boson can be predicted from the full-model information. This allows insights into the mass spectrum of the extended particle content that has not yet been revealed by experiments. In fact, the current exclusion limits for some of the supersymmetric particles exceed the TeV-threshold. In scenarios with a large mass hierarchy, the accuracy of Higgs-mass predictions is significantly improved by resumming logarithmic terms, which depend on the mass of the exotic particles. A way to efficiently organize the Higgs-mass calculation with a resummation of large logarithms, while including contributions at a fixed order, is achieved by the method FlexibleEFTHiggs. In previous work, the method FlexibleEFTHiggs was implemented as a module in the public code FlexibleSUSY. To increase the precision of the Higgs-mass calculation, this thesis describes several improvements of the FlexibleEFTHiggs approach, with a focus on the application to the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). We discuss a refined high-scale matching procedure allowing a consistent resummation of next-to leading logarithms (NLL) independent of the SUSY model. In this process, we address the aspect of parametrizing the high-scale matching in terms of SM couplings in conjunction with a strict truncation at 1-loop. With respect to the resummation of higher-order logarithms, a novel strategy is proposed to organize the high-scale matching. It is shown that the ideal setting is given if the matching is expressed in a perturbative expansion of full-model parameters. Building upon the existing MSSM spectrum generator from FlexibleSUSY, where the state-of-the-art self-energies and tadpoles are available at 2-loop and 3-loop orders, we have constructed a Higgs-mass calculation using a redesign of the FlexibleEFTHiggs method. Combined with a renormalization group running up to 4-loop, the Higgs-mass prediction achieves log-precision of N3LL. Analyzing the difference between the parametrizations in terms of SM parameters and full-model parameters, we discovered the ability to resum terms of maximal power in the squark-Higgs parameter Xq. To illustrate this statement, we perform a systematic investigation on the appearance of Xq in MSSM Green functions and threshold corrections in both parametrizations. As a result, a plethora of all-order resummation relations is presented, and we demonstrate the improved convergence properties of our updated calculation induced by the Xq-resummation. We provide numerical results and a thorough analysis of theoretical uncertainties for standard benchmark scenarios.

Ce document résume et ordonne quelques dix années de recherche de son auteur dans le domaine des mesures de précision électrofaibles. Le lecteur y trouvera la description de mesures d'observables de quarks lourds produits au pôle du boson Z et étudiés par le détecteur ALEPH auprès du collisionneur électron-positron LEP jusqu'à des analyses phénoménologiques des données de physique des saveurs conduites au sein du groupe CKMfitter. Une large partie de ce document est consacrée aux travaux non encore publiés de conception, de tests, de production, d'installation et de mise en œuvre des dispositifs électroniques qui équipent le détecteur de pied de gerbes du calorimètre électromagnétique de l'expérience LHCb auprès du LHC.

The search potential of a Standard Model Higgs boson in the Vector Boson Fusion production mechanism with Higgs boson decaying to two leptons and two neutrinos via decay to two Z bosons with the ATLAS detector is investigated. The ATLAS detector is a general purpose detector in operation at CERN measuring proton-proton collisions produced by the Large Hadron Collider. This channel has been shown to have high sensitivity at large Higgs mass, where large amounts of missing energy in the signal provide good discrimination over expected backgrounds. This work takes a first look at whether the sensitivity of this channel may be improved using the remnants of the vector boson fusion process to pro- vide extra discrimination, particularly at lower mass where sensitivity of the main analysis is reduced because of lower missing energy. Simulated data samples at centre of mass energy 7 Te V are used to derive signal significances over the mass range between 200-600 Ge V / c2. Because of varying signal properties with mass, a low and a high mass event selection were developed and optimized. A comparison between simulated and real data (collected in 2010) is made of variables used in the analysis and the effect of pileup levels corresponding to those in the 2010 data is investigated. Possible methods to estimate some of the main backgrounds to this search are described and discussed. The impact • of important theoretical and detector related systematics are taken into account. Final results are presented in the form of 95 % Confidence Level exclusion limits on the signal cross section relative to the SM prediction as a function of Higgs boson mass, based on an integrated luminosity of 33.4 pb -1 of data collected during 2010.

Uncertainties on the parton distribution functions (PDFs), in particular those of the valence quarks, can be constrained at LHC energies using the charge asymmetry in the production of W^± bosons. This thesis presents a measurement of the electron channel, lepton charge asymmetry using 497 pb^-1 of data recorded with the ATLAS detector in 2011. The measurement is included in PDF fits using the machinery of HERAPDF and is found to have some constraining power beyond that of existing W charge asymmetry measurements.

ATLAS est un détecteur de particules installé auprès du collisionneur de protons le LHC fonctionnant depuis 2010 avec une énergie dans le centre de masse de 7TeV. L'analyse de ses premières données in situ : les muons cosmiques en 2008, puis les données faisceau du LHC de 2009 ont permis de montrer que le calorimètre électromagnétique est opérationnel et performant sur l'ensemble de sa couverture. une étude visant à évaluer la matière en son amont a montré que les informations issues des électrons permettent une cartographie de la matière du trajectographe interne jusqu'à l'entrée du calorimètre. En 2009 et 2010, l'analyse des collisions à 900GeV et 7TeV a permis de vérifier l'accord entre données et simulation des variables utilisées pour l'identification des électrons. Enfin, la recherche du boson de jauge lourd chargé W' en électron et neutrino reste possible avec une définition exclusivement carlorimétrique de l'energie transverse manquante, plus robuste pour la nouvelle physique / ATLAS is a particule detector based at the Large Collider which has been delivering collisions with an energy in the cenre of masss of 7TeV from the start of 2010. The analysis of the first in situ data, cosmic muons in 2008 and LHC beam data in 2009, showed the electromagnetic calorimeter was operational and efficient on its whole coverage. In order to evaluate the amount of material upstream the calorimeter, a method was developed showing the information from the electron allows mapping the material from the inner tracker to the calorimeter entrance. In 2009 and 2010, the analysis of Vs=900GeV and Vs=7TeV collision data allowed to check the data-simulation agreement for electron identification variables. Finally, the search of a charged heavy gauge boson W' decaying in an electron and a neutrino remains possible using a calorimetric only definition of missing transverse energy.

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