This thesis examines how the kinetic properties of pair-produced Higgs bosons depend on whether the process is mediated by particles in the Standard Model or a simplified supersymmetric model. The analysis is based on simulated data made using MadGraph. The examination within this thesis is split into two parts, one performed on the output of MadGraph (parton level) and the second performed on the output of a simplified simulation of the ATLAS detector response (reconstruction level). The first part also contains a section showing that the supersymmetric model results are consistent with the Standard Model results in cases where no supersymmetric particles are present in the di-Higgs production and decay, and a section detailing the minor differences in kinematics of the Higgs bosons depending on the mass of the supersymmetric partner of the top quark. The second part of the thesis covers the decay of the Higgs boson into bottom and anti-bottom quarks, and includes a section showing that there is no difference if the decay is done using the MadSpin module or the Pythia module for MadGraph, before exploring the kinematics of the jets produced. Both when studying Higgs bosons at the parton level and when studying b-jets at the reconstruction level, it is found that there are clear differences in the kinematics between the Standard Model and the supersymmetric model. At both levels, a neural network has been designed, trained and tested. For the parton level neural network 59 % of all events are classified correctly, while at the reconstruction level 51 % of all events are classified correctly. These neural network results show that it is possible to train a neural network to learn on data like this, and that with enough di-Higgs events detected, their kinematic properties could be used to indirectly infer the presence of physics beyond the Standard Model.

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Le compact linear collider (CLIC) est le projet de collisionneur de particules proposé par l'organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) visant à succéder au large hadron collider (LHC). Du fait des dimensions nanométriques des faisceaux de leptons de ce projet, les accroissements admissibles de l'émittance sont extrêmement faibles. Cela a pour conséquence des tolérances d'alignement des composants du CLIC jamais atteintes. La dernière étape de l'alignement sera effectuée par rapport au faisceau de particules du CLIC. Elle est du ressort des physiciens du faisceau. Toutefois son implémentation nécessite un pré-alignement qui lui-même représente un défi métrologique et géodésique : atteindre 10 μm à 3σ le long d'une fenêtre coulissante de 200 m. Un tel niveau de précision requiert le développement d'une méthode compatible avec des systèmes de repositionnement qui seront constamment sollicités. Le pré-alignement du CLIC devra être actif. Cette thèse ne démontre pas la faisabilité du pré-alignement actif du CLIC mais montre le chemin des derniers développements à effectuer dans ce but. Il y est proposé une méthode, fondée sur la gestion des similitudes entre systèmes euclidiens de coordonnées, qui, de la géodésie aux mesures métrologiques, est susceptible d'apporter la solution. Des expériences sur de longues distances ont été construites dans le but d'éprouver, en parallèle de simulations de Monte-Carlo, les modèles mathématiques des systèmes de mesure et des références d'alignement ainsi créés. L'extrapolation de ces modèles, une fois validés expérimentalement, sur toute la longueur du CLIC, sera la dernière étape prouvant la faisabilité du pré-alignement / The compact linear collider (CLIC) is the particles accelerator project proposed by the european organization for nuclear research (CERN) for high energy physics after the large hadron collider (LHC). Because of the nanometric scale of the CLIC leptons beams, the emittance growth budgetis very tight. It induces alignment tolerances on the positions of the CLICcomponents that have never been achieved. The last step of the CLIC alignment will be done according to the beam itself. It falls within the competence of the physicists. However, in order to implement the beam-based feedback, a challenging pre-alignment is required: 10 μm at 3σ along a 200 m sliding window. For such a precision, the proposed solution must be compatible with a feedback between the measurement and repositioning systems. The CLIC pre-alignment will have to be active. This thesis does not demonstrate the feasibility of the CLIC active prealignment but shows the way to the last developments that have to be done for that purpose. A method is proposed. Based on the management of the Helmert transformations between Euclidian coordinate systems, from the geodetic networks to the metrological measurements, this method is likely to solve the CLIC pre-alignment problem. Large scale facilities have been built and Monte-Carlo simulations have been made in order to validate the mathematical modelings of the measurement systems and of the alignment references. When this is done, it will be possible to extrapolate the modelings to the entire CLIC length. It will be the last step of the demonstration of the CLIC pre-alignment feasibility

Das Modell einer vierten Familie konnte bis heute aufgrund von theoretischen Argumenten nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die Suche nach einem Down-artigen Quark der vierten Familie mit dem folgenden angenommenen Zerfall: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X vorgestellt. Für diese Analyse wird eine integrierte Luminosität von 2.05 fb−1 verwendet, aufgenommen mit dem ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7TeV für die Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider. In der Analyse werden Ereignisse mit zwei gleich geladenen Leptonen (e oder mu) in den Endzuständen selektiert, was eine seltene Signatur im Standard Modell darstellt. Neben einer verwendeten Standardselektierung für die Ereignisse, entnommen aus der ATLAS Top-Quark Analyse, wird eine Optimierung der Schnitte mit einer multivariaten Analyse durchgeführt. Des Weiteren werden systematische Unsicherheiten studiert, die durch die Partonendichteverteilungsfunktion sowie durch Abstrahlung von Teilchen wie Gluonen im Anfangs- und im Endzustand bei der Simulation mit dem Monte Carlo Generator entstehen. Mit den selektierten Ereignissen in der Signalregion von zwei gleich geladenen Leptonen wird durch eine Zählanalyse die Anzahl gemessener Signalereignisss extrahiert. Mit diesen Signalereignissen wird dann die untere Massenausschlussgrenze des b''-Quarks mit einer modifizierten Frequentistmethode bestimmt. Das Ergebnis zeigt, dass mit einem angenommenem Verzweigungsverhältnis von 100 % für den Zerfall b'' -> t + W alle Massen unterhalb einer Grenze von 461 GeV mit einem 95 % Konfidenzintervall ausgeschlossen sind. / The model of a fourth generation is currently not excluded by theoretical arguments. In this thesis a search for a fourth generation down-type quark is presented with the decay hypothesis: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X The search is performed with an integrated luminosity of 2.05 fb−1 , obtained with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider running proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7TeV. Events for the analysis are selected with a search signature of two same-sign charged leptons (e or mu) in the final state, which is a rare Standard Model signature. Beside using the standard event selection from ATLAS top analyses, the event selection criteria are optimized with a multivariate analysis in order to maximize the significance. Furthermore, systematic uncertainties are studied coming from the parton distribution function as well as the initial and final state radiation. With the selected events in the signal region of two same-sign leptons, the signal is extracted via a counting method. The extracted signal is used for the determination of the mass limit of the fourth generation down-type quark with a modified frequentist method. Assuming a branching ratio of 100 % for the decay b'' -> t+W , b'' masses below 461 GeV are excluded at 95 % confidence level.

Dans le contexte de la Physique des Particules, la naturalité du Modèle Standard est une question qui fait débat. En effet, en l'absence de nouveaux phénomènes, le domaine de validité du Modèle Standard doit s'étendre jusqu'à l’échelle de Planck où la gravité quantique joue un rôle important. La différence en énergie entre l’échelle de Planck et l’interaction électrofaible est énorme (17 ordres de grandeur) ce qui est connu sous le nom de problème de la hiérarchie et constitue un problème de naturalité du Modèle Standard de la Physique des Particules. Une solution à ce problème serait l'ajout de dimensions spatiales supplémentaires.Cet ajout de dimensions supplémentaires entraîne l’introduction de nouvelles particules : les excitations du graviton, qui peuvent se désintégrer en 2 photons. La production de gravitons peut donc être observée dans des collisionneurs de hautes énergies notamment au LHC, en analysant les collisions proton-proton donnant un état final en 2 photons.L'analyse en diphoton, avec le détecteur ATLAS, avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, permet d'explorer un intervalle en masse de détection d’environ 500 GeV à 7 TeV où pourraient se révéler des signatures de dimensions spatiales supplémentaire. Le challenge principal de l’analyse est de réaliser une bonne estimation de la composante du Modèle Standard dans les événements diphotons reconstruits par ATLAS. Cette analyse permet alors, en cas de compatibilité des données avec le Modèle Standard, d’améliorer sensiblement les limites d’exclusion sur les paramètres des modèles de dimensions supplémentaires. / In the context of particle physics, the naturalness of the Standard Model is still under discussion. In the absence of any new phenomena, the Standard Model should remain valid up to the Planck energy scale where quantum gravity plays an important role. The difference in energy between the electroweak interaction and the Planck scale is huge (17 orders of magnitude), which is known as the hierarchy problem and constitutes a naturalness issue for the Standard Model.A solution to this problem is the addition of additional space dimensions. This addition of space dimensions leads to the introduction of new particles which are graviton excitations and can decay into two photons. It might be possible toobserve graviton production at high energy colliders, especially at the LHC with the collision of proton-proton and looking at 2 photons in the final state.The diphoton analysis, with the ATLAS detector with an energy in the center of mass of 13 TeV, allows to probe a mass interval from 500 GeV to 7 TeV, where signatures of additional space dimensions, if they exist, can be studied. The main challenge of the analysis is to perform a good estimation of the SM contribution to signal. To perform this, it is necessary to discriminate true photons from misidentified jets or electronic noise. In the case of compatibility between data and the SM, this analysis allows to increase significantly the exclusion limits of the parameters of theadditional space dimensions model.

La matière qui nous entoure est formé de hadrons, eux-même constitués de quarks et de gluons. Ces derniers sont des composants élémentaires qui n'existent pas sous forme libre. Cependant nous savons à l'heure actuelle que la matière confinée dans des hadrons peut, dans des conditions de haute température et/ou de haute densité baryonique, se retrouver sous une forme déconfinée de plasma de quarks et de gluons. Pour réaliser expérimentalement les conditions permettant de former ce plasma de quarks et de gluons, nous avons besoin d'une machine capable de faire entrer en collision des noyaux à des énergies très élevées: cela est notamment possible au CERN, où se situe le plus grand accélérateur de particules du monde, le Large Hadron Collider, qui a permis de faire entrer en collisions des noyaux de plomb à une énergie par paire de nucléons de 2.76 et 5.02TeV, et des protons à des énergies allant de 0.9 à 13TeV. Les collisions entre noyaux de plomb permettent, en particulier, d'atteindre les conditions de densité d'énergie nécessaires à la formation de la phase de plasma de quarks et de gluons. Ce travail de thèse contribue à ce programme de physique par l'étude de la production de mésons neutres légers en collisions proton-proton à 13TeV, référence nécessaire pour comprendre les observations en collisions plomb-plomb. L'étude des mésons neutres légers a été menée dans le canal dimuonique par l'analyse du spectre de masse invariante des dimuons de masse inférieure à 1.5 GeV/c², permettant notamment de mesurer les sections efficaces des mésons eta, rho/omega et phi / The ordinary matter surrounding us is made of hadrons which in turn are composed of quarks and gluons. These latter are elementary constituents which cannot be observed in a free state. However it is at present recognized that this matter confined within hadrons can undergo, under extreme conditions of high temperature and/or highnet baryonic density, a transition to a state of deconfined quarks and gluons whichcalled quark gluon plasma. The conditions required to form this quark gluon plasma can be experimentallyachieved using a machine capable of colliding nuclei at very high energies: this is particularly the case at CERN where is located the world’s largest and most powerful particle accelerator, the Large Hadron Collider, which collided Pb ions at a center-of-mass energy of 2.76 to 5.02 TeV per nucleon pair and protons of 0.9 to 13 TeV. Pb-Pb collisionssuch relativistic energies definitely allow for the suitable density conditions to form the quark gluon plasma phase. This thesis work contributes to this physics program by studying the production of neutral light mesons in collisions of proton-proton at 13 TeV, which provides the necessary reference to understand further observations done in Pb-Pb collisions. This study has been performed in the dimuon decay channel by analyzing the dimuon invariant mass spectrum in the region of masses lower than 1.5 GeV/c2 , giving accessthe measurement of the cross sections of eta, rho/omega and phi mesons

In dieser Arbeit wird die Suche nach geladenen Higgs Bosonen (H±) vorgestellt. Dafür wurden Proton–Proton Kollisionen, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV in den Jahren 2015 und 2016 mit einer integrierten Luminosität von 36.1 fb−1 mit dem ATLAS-Experiment produziert wurden, untersucht. Die Existenz solcher geladener Higgs Bosonen wird in verschiedenen Modellen jenseits des Standardmodells vorhergesagt und ist auch dadurch motiviert, das dass Standardmodell nicht immer eine Erklärung für verschiedenste beobachtete Phänomene liefern kann. Diese Arbeit konzentriert sich auf geladene Higgs Bosonen, die eine höhere Masse als das top Quark besitzen und über H± → tb zerfallen. Die H± Produktion, in Verbindung mit einem top und einem bottom Quark pp → tbH±, wird im Massenbereich von 200 bis 2000 GeV untersucht. Die Suche nach H± in dieser Arbeit beschränkt sich auf Endzustände mit einem geladenen Lepton und mehreren Jets. Mit Hilfe eines boosted decision trees werden verschiedenste kinematische Variablen miteinander kombiniert, um dadurch das H± Signal besser von dem Standardmodell Untergrund unterscheiden zu können. Es wurde kein signifikanter Unterschied zum vorhergesagten Standardmodell-Untergrund gemessen und deshalb Ausschlussgrenzen für den Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverhältnis dieses H± Zerfalls berechnet. Weitere Ausschlussgrenzen wurden für den tanβ Parameter des MSSM Modells für die mhmod− und hMSSM Benchmark-Szenarien bestimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeit übertreffen alle bisherigen Ausschlussgrenzen - insbesondere werden zum ersten Mal Erkenntnisse über den Massenbereich bis zu 2000 GeV gewonnen. / This thesis presents a search for charged Higgs bosons produced in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, using 36.1 fb−1 of data collected by the ATLAS detector at the LHC in 2015 and 2016. The existence of charged Higgs bosons is predicted by various theories Beyond the Standard Model and it is motivated by the inadequacy of the Standard Model to explain some observed experimental phenomena. The work focuses on charged Higgs bosons heavier than the top quark and decaying via H± → tb. The production in association with a top and a bottom quark (pp → tbH±) is investigated in the mass range between 200 and 2000 GeV. A final state containing one charged lepton and jets is considered. Multiple kinematic variables are combined using a boosted decision tree (BDT) in order to separate signal and background. The output of the BDT is used to perform a profile likelihood fit of the Monte Carlo predictions to the observed data. No significant excess of events above the expected Standard Model background is observed, therefore upper limits are set for the cross-section of the charged Higgs boson production times the branching fraction of its decay. Limits are also provided for the tanβ parameter of the MSSM, in the mhmod− and hMSSM benchmark scenarios. The work improves the reach of all previous searches, including for the first time masses ranging up to 2000 GeV.

Des perspectives énergétiques sobres en carbone pour atténuer le changement climatique nécessitent le remplacement des combustibles fossiles par des sources produisant peu de CO2, par exemple l’énergie nucléaire. L'une des options discutées par le Forum international Gen-IV pour la prochaine génération de réacteurs nucléaires consiste à utiliser le cycle du thorium. L'isotope fissile 233U est l'un des isotopes les plus importants du cycle du thorium et est directement responsable du bilan neutronique. L'une des particularités de ce noyau est d'avoir une section efficace de capture qui est inférieure d'un ordre de grandeur à celle de fission. Cette circonstance rend très difficile la mesure de sa section efficace de capture, comme l'atteste seulement deux jeux de données à haute résolution disponibles depuis les années 1960. Dans cette thèse, une nouvelle mesure auprès de la source de neutrons n_TOF est décrite utilisant une nouvelle chambre à fission compacte insérée au centre d'un détecteur de rayons gamma, le calorimètre à absorption totale. La chambre à fission permet d’identifier et de soustraire les rayons gamma de la réaction de fission dans le but d’améliorer la précision de la section efficace de capture de 233U. La chambre à fission est conçue dans cet objectif. Son excellente performance est décrite en détail et permet d'extraire des informations sur les rayons gamma de fission. Une discussion détaillée du processus de réduction des données et des éléments clés de l’analyse, est présentée et aboutit au calcul du rapport alpha de 233U, le rapport entre la section efficace de capture et celle de fission. / A low-carbon energy outlook to mitigate the climate change requires the replacement of fossil fuel by sources with low CO2 emissions, like nuclear energy.. One of the options discussed in the Gen-IV International Forum for the the next generation of nuclear reactors is to use the thorium cycle. The fissile isotope 233U is among the most important isotopes in the thorium cycle and directly responsible for the neutron economy. One of the particularities of this nucleus is to have a capture cross section which is one order of magnitude lower than fission, making the measurement of the 233U capture cross section very challenging as indicated by only two high resolution data sets available since the 1960s. In this thesis, a new measurement at the n_TOF neutron source is described employing a novel compact fission chamber inserted in the center of the Total Absorption Calorimeter g-ray detector. The fission chamber allows to tag and subsequently subtract the gamma rays from the fission reaction aiming to improve the accuracy of the 233U capture cross section.The performance of the custom tailored fission chamber is described in detail and allows to extract information about the prompt fission g-rays. A detailed discussion of the data reduction process and the key elements in the analysis is given resulting in the calculation of the 233U-alpha-ratio, the ratio between the capture and fission cross-section.

In dieser Arbeit wird die Messung des normalisierten differentiellen Wechselwirkungsquerschnitts von Top Quark Produktionen mit zusätzlichen Jets präsentiert. Es werden Proton-Proton Kollisionsdaten des ATLAS Experiments am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit einer Luminosität von 3.2 fb-1 verwendet. Die Top Quark Ereignissen werden durch ein entgegengesetzt geladenes Elektron-Muon Paar und zwei b-tagged Jets selektiert. Der differentielle Wechselwirkungsquerschnitt wird als Funktion von Observablen, die sensitiv auf zusätzliche Jets sind, gemessen: der Jetmultiplizität, des transversalen Impulses der zusätzlichen Jets, der Summe der transversalen Impulse aller Objekte im Ereignis und räumlichen Korrelationen zwischen den zwei Jets mit dem größten Impulsen. Die gemessenen Daten werden auf Teilchen-Level korrigiert und mit verschiedenen Vorhersagen für detailierte Studien des Monte Carlo QCD Models verglichen. / In this thesis, the measurement of the normalised differential cross-sections of top quark pair production in association with jets using 3.2 fb-1 of proton-proton col- lision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC are presented. Jets are selected from top events which are defined by an opposite-charge electron-muon pair and two b-tagged jets in the final state. The cross-sections are measured as functions of several observables are sensitive to ad- ditional jets: jet multiplicities, transverse momentum of additional jets, transverse momentum sum of all objects in the event and spatial correlations of the two high- est momentum additional jets. The data are corrected to obtain particle-level fidu- cial cross-section. The resulting measurements are compared to several predictions allowing detailed studies of Monte Carlo QCD modelling.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach vektorartigen Quarks (VLQs) beim Zerfall in ein W-Boson und ein b-Quark vorgestellt. Die Suche wird mit Proton-Proton-Kollisionsdaten durchgeführt, die vom ATLAS-Detektor am CERN bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV zwischen 2015 und 2018 während dem LHC Run II gesammelt wurden. Die Existenz von VLQs wird von mehreren Theorien jenseits des Standardmodells postuliert, zudem sind VLQs ein einfaches Beispiel für Fermionen mit Farbladung, die immer noch mit experimentellen Beobachtungen konsistent sind. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Fall, dass ein einzelnes VLQ erzeugt wird und in ein b-Quark und ein W-Boson zerfällt, das dann wiederum in ein geladenes Lepton und ein Neutrino zerfällt. Diese Suche schließt sich an mehrere Suchen nach einzeln und paarweise erzeugten VLQs am LHC an, die sowohl bei ATLAS als auch bei CMS durchgeführt wurden und deren Existenz bis zu einer Masse von über 1 TeV ausgeschlossen haben. Bei einer Masse von etwa 1.8 TeV wird ein Überschuss von 3.7 σ gegenüber der Vorhersage des Standardmodells beobachtet. Einige mögliche Masse/Kopplungskombinationen werden durch diese Analyse ausgeschlossen. Dies ist jedoch weniger Parameterraum als aufgrund eines unerwarteten Überschusses an beobachteten Ereignissen erwartet wurde. / In this thesis, a search for vector-like quarks (VLQs) decaying into a W-boson and a b-quark is presented. The search is performed on proton-proton collision data collected by the ATLAS detector at CERN at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV between 2015 and 2018, during Run II of the LHC. The existence of VLQs is consistent with several Beyond the Standard Model theories and VLQs are a simple example of coloured fermions that are still consistent with experimental observations. This work focuses on the case where a single VLQ is produced and decays to a b- quark and a W-boson, which then decays to a charged lepton and a neutrino. This search follows on several searches for singly- and pair-produced VLQs at the LHC from both ATLAS and CMS, which have excluded their existence up to over 1 TeV, and this search considers VLQs in a mass range from 1 TeV to 2.7 TeV. An excess over the Standard Model (SM) prediction of 3.7 σ is observed at a mass of around 1.8 TeV. Some possible mass/coupling combinations are excluded by this analysis. However, this is less parameter space than was expected due to an unexpected excess of observed events.