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This thesis is an investigation of the subject of extra dimensions in particle physics. In recent years, there has been a large interest in this subject. In particular, a number of models have been suggested that provide solutions to some of the problem with the current Standard Model of particle physics. These models typically give rise to experimental signatures around the TeV energy scale, which means that they could be tested in the next generation of high-energy experiments, such as the LHC. Among the most important of these models are the universal extra dimensions model, the large extra dimensions model by Arkani-Hamed, Dimopolous, and Dvali, and models where right-handed neutrinos propagate in the extra dimensions. In the thesis, we study phenomenological aspects of these models, or simple modifications of them. In particular, we focus on Kaluza–Klein dark matter in universal extra dimensions models, different aspects of neutrino physics in higher dimensions, and collider phenomenology of extra dimensions. In addition, we consider consequences of the enhanced renormalization group running of physical parameters in higher-dimensional models. / QC 20120427

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Cette thèse présente des recherches sur la nouvelle physique produite par le processus de Fusion de Bosons Vecteur (VBF) dans les états finaux avec une grand impulsion transverse manquante (Etmiss) en utilisant 36.1 fb⁻¹ de données de collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, recueillies par l'expérience ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) au CERN en 2015 et 2016. En particulier, elle se concentre sur la recherche de la désintégration invisible du boson de Higgs produit via le mode VBF. Comme le modèle standard de la physique des particules (MS) prédit une désintégration invisible de Higgs uniquement à travers le mode H->ZZ*->4v avec un rapport d’embranchement BR ~ 0,1%, si une désintégration en particules invisibles du boson de Higgs était observée avec un BR supérieur, ce serait un signe de nouvelle physique. Plusieurs modèles au-delà du modèle standard (BSM) prédisent des désintégrations du boson de Higgs en particules de matière noire (DM, non détectées) ou en particules massives neutres à vie longue. Parmi les recherches H->particules invisibles, la plus sensible est celle où le Higgs est produit via le mode VBF. Son état final est caractérisé par deux jets énergétiques, avec les caractéristiques typiques du mode VBF (c'est-à-dire une grande séparation angulaire et une grande masse invariante des deux jets) et une grande impulsion transverse manquante (Etmiss>180 GeV). Pour sélectionner un échantillon d'événements candidats de signal, une région de signal (SR) est définie pour maximiser la fraction d'événements de signal attendus par rapport à la prédiction du MS (bruit de fond). Les processus MS qui peuvent peupler la SR proviennent principalement des processus Z->vv+jets et W->lv+jets, où le lepton est perdu ou non reconstruit. Leur contribution est estimée avec une approche semi-data driven : des régions dédiées enrichies en événements W->lv/Z->ll sont utilisées pour normaliser les données des estimations de Monte Carlo (MC) en utilisant une technique de fit simultané (méthode du facteur de transfert) et pour les extrapoler à la SR. L'estimation de fond prédit est comparée aux données SR observées. Comme aucun excès n'est trouvé, une limite supérieure sur le BR (H-> invisible) est calculée. L'analyse est ensuite réinterprétée dans le cadre de modèles inspirés du modèle Minimal Dark Matter. Le cas d'un nouveau triplet fermionique électrofaible, avec une hypercharge nulle et avec interactions respectant le nombre B-L, ajouté au MS fournit un bon candidat Dark Matter (WIMP pure). Si on considère l'abondance thermique, la masse du composant neutre est d’environ 3 TeV. Cependant des masses plus faibles sont également envisageables dans le cas de mécanismes de production non thermiques ou lorsque le triplet ne constitue qu'une fraction de l'abondance de DM. Il peut être produit à des collisionneurs proton-proton tels que le LHC et il peut être sondé de différentes manières. Une fois produites, les composantes chargées du triplet se désintègrent dans le composant neutre le plus léger, χ0 , avec en plus des pions très mous, en raison de la petite différence de masse entre les composants neutres et chargés. Ces pions de très faible impulsion ne peuvent pas être reconstruits et sont donc perdus. Le χ0 est reconstruit comme de l’Etmiss dans le détecteur. Par conséquent, lorsqu'il est produit via VBF, il donne lieu à une signature avec deux jets VBF et de l’Etmiss, le même état final que celui qui a été étudié pour l'analyse de VBF H->invisible. Des points de masse différentes (de 90 GeV à 200 GeV) ont été engendrés avec les programmes Monte Carlo Madgraph+Pythia, dans le cadre du logiciel officiel ATLAS, et les limites supérieures sont définies sur la section efficace fiducielle de production. Des extrapolations à des luminosités plus élevées (Run3 et HL-LHC) en utilisant une approche simplifiée sont également présentées. / This thesis presents searches for new physics produced via Vector Boson Fusion (VBF) in final states with large Missing Transverse Momentum (Etmiss) using 36.1 fb⁻¹ of data from proton-proton collisions at center-of-mass-energy of 13 TeV, collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN during 2015 and 2016. In particular, it focuses on the search for the invisible decay of the Higgs boson produced via the vector boson fusion (VBF) process. As the SM predicts an Higgs invisible decay only through H->ZZ*->4v with Branching Ratio BR~0.1%, if an invisibly decaying Higgs boson would be observed with a higher BR, this would be a sign of new physics. Several Beyond the Standard Model (BSM) models predict invisibly decaying Higgs boson where the Higgs can decay into dark matter particles or neutral long-lived massive particles. Among the H->invisible searches the most sensitive one is the one where the Higgs is produced via the VBF process. Its final state is characterized by two energetic jets, with the typical features of the VBF mode (i.e. large angular separation and large invariant mass) and large missing transverse momentum (Etmiss>180 GeV). To select a sample of signal candidate events, a Signal Region (SR) is designed to maximize the fraction of expected signal events with respect to the SM prediction (backgrounds). The SM processes which can populate the SR comes mainly from Z->vv+jets and W->lv+jets processes, where the lepton is lost or not reconstructed. Their contribution is estimated with a semi data driven approach: dedicated regions enriched in W->lv/Z->ll events are used to normalize to data the Monte Carlo (MC) estimates using a simultaneous fitting technique (transfer factor) and to extrapolate them to the SR. The predicted background estimate is compared to the observed SR data. Since no excess is found, an upper limit on the BR(H->inv) is set. The analysis is then reinterpreted in the context of models inspired by the Minimal Dark Matter model. The case of a new electroweak fermionic triplet, with null hypercharge and with interactions respecting the B-L number, added on top of the SM provides a good Dark Matter candidate. As such, it is an example of pure Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), meaning that it is a DM particle with SU(2)_L SM interactions which is not mixing with other states (pure).If the thermal abundance is assumed, the mass of the neutral component is around 3 TeV, however smaller masses are also allowed in case of non-thermal production mechanisms or if the triplet constitutes only a fraction of the DM abundance. It can be produced at proton-proton colliders such as the LHC and it can be probed in different ways. Once produced, the charged components of the triplet decays into the lightest neutral component chi0 plus very soft charged pions. chi0 is reconstructed as Etmiss in the detector while the pions, because of the small mass splitting between the neutral and charged components, are so soft that are lost and are not reconstructed. Therefore, when produced via VBF, it gives rise to a signature with two VBF jets and Etmiss, the same final state that has been investigated for the VBF Higgs invisible analysis. Different mass point (from 90 GeV to 200 GeV) have been generated with the Madgraph+Pythia, Monte Carlo programs within the official ATLAS software, and upper limits are set on the fiducial cross section. Extrapolations to higher luminosities using a simplified approach are also presented.

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The thesis presents phase stability studies for the Compact Linear Collider (CLIC) and focuses in particular on CLIC Drive Beam longitudinal phase stabilisation. This topic constitutes one of the main feasibility challenges for CLIC construction and is an essential component of the current CLIC stabilisation campaign. The studies are divided into two large interrelated sections: the simulation studies for the CLIC Drive Beam stability, and measurements, data analysis and simulations of the CLIC Test Facility (CTF3) Drive Beam phase errors. A dedicated software tool has been developed for a step-by-step analysis of the error propagation through the CLIC Drive Beam. It uses realistic RF potential and beam loading amplitude functions for the Drive and Main Beam accelerating structures, complete models of the recombination scheme and compressor chicane as well as of further CLIC Drive Beam modules. The tool has been tested extensively and its functionality has been verified. The phase error propagation at CLIC has been analysed and the critical phase error frequencies have been identified. The impact of planned error filtering and stabilisation systems for the Drive Beam bunch charge and longitudinal phase has been simulated and the optimal specifications for these systems, such as bandwidth and latency time, have been calculated and discussed. It has been found that a realistic feed-forward system could sufficiently reduce the longitudinal phase error of the Drive Beam, hence verifying that a satisfactory CLIC luminosity recovery system is possible to develop. Alternative designs of the Drive Beam accelerator, the recombination scheme and the phase signal distribution system have also been analysed. Measurements of the CTF3 Drive Beam phase have been performed. The source of the phase and energy errors at CTF3 has been determined. The performance of the phase feed-forward system prototype for CTF3 has been simulated. The prototype's specifications have been defined so that it will provide a sufficient test of the feed-forward correction principle. The prototype based on the defined specifications is currently in development and is to be installed at CTF3 in the second half of 2013.

Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules scalaires octets de couleur dans les données de l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Pour une large gamme de masse, la désintégration de ces scalaires en deux partons du MS domine. Cela motive la recherche de ces nouveaux scalaires dans des états finaux multijet, où ils se signaleraient comme des résonances dijet. Comme les nouveaux scalaires sont produits par paires, un état final contenant au moins quatre jets est utilisé comme environnement de recherche. Une méthode est développée pour extraire une possible résonance multijet scalaire du grand fond QCD et est utilisée pour chercher de tels scalaires dans les données de l'expérience ATLAS collectées en 2010 et 2011. Les données sont en accord avec l'estimation du fond et des limites sont posées sur la section efficace de production des scalaires en fonction de leur masse. En interprétant ces limites dans des modèles de supersymétrie, le gluon scalaire du MRSSM et du modèle hybride N=1/N=2 est exclu à 95 % CL entre 100 et 287 GeV. Les limites sont aussi interprétées dans un modèle de symétrie de jauge à la QCD, où le sgluon est remplacé par l'hyperpion qui est exclu dans une gamme de masse légèrement plus restreinte de part sa section efficace plus faible. / This thesis describes the search for new color-octet scalar particles in the ATLAS experiment data at the Large Hadron Collider (LHC). For a wide range of mass, the decay of the scalar to two SM partons dominates. This motivates the search for these new scalars in multijet final states, where they would manifest as dijet resonances. As the new scalars are products in pairs, a final state containing at least four jets is used as a search environment. A method is developed to extract a possible scalar resonance from the multijet QCD background and is used to search for such scalar in the data from the ATLAS experiment collected in 2010 and 2011. The data are in agreement with the estimation of the background and limits are set on the scalar production cross section as a function of the scalar mass. Interpreting these limits in models of supersymmetry, the scalar gluon of the MRSSM and of the hybrid N=1/N=2 model is excluded at the 95 % CL between 100 and 287 GeV. Limits are also interpreted in a model of gauge symmetry à la QCD, where the sgluon is replaced by the hyperpion excluded in a mass range slightly smaller because of its smaller cross section.

Als Basis der Positronenquelle zur Erzeugung polarisierter Positronen bei einem zukuunftigen internationalen Linearkollider ist ein helikaler Undulator vorgesehen. Das E-166 Experiment testete diese Methode unter Benutzung eines ein Meter langen, kurzperiodischen, gepulsten helikalen Undulators im Final Focus Test Beam (FFTB) am SLAC. Ein 46.6 GeV Elektronenstrahl mit geringer Emittanz wurde durch diesen Undulator gefuehrt und erzeugte zirkular polarisierte Photonen mit einer Energie bis zu ungefaehr 8 MeV. Diese wiederum konvertierten in einem relativ duennen Target zu longitudinal polarisierten Positronen. Die Polarisation der Positronen wurde bei 5 verschieden Positronenergien gemessen. Zusaetzlich ist die Polarisation von Elektronen fuer einen Energiepunkt gemessen worden. Um die gemessenen Asymmetrien mit den Erwartungen vergleichen zu koennen, waren detaillierte Simulationen noetig. Dies erforderte die Erweiterung von von GEANT4 um die wichtigsten polarisationsabhaengigen Wechselwirkungen von Elektronen, Positronen und Photonen mit Materie. Die gemessene Positronpolarisation stimmt mit den Erwartungen ueberein und betraegt fuer den Energiepunkt mit der hoechsten Polarisation von 6 MeV mehr als 80 prozent. / A helical undulator based polarized positron source is forseen at a future International Linear Collider. The E-166 experiment has tested this scheme using a one meter long, short-period, pulsed helical undulator installed in the Final Focus Test Beam (FFTB) at SLAC. A low-emittance 46.6 GeV electron beam passing through this undulator generated circularly polarized photons with energies up to about 8 MeV. The generated photons of several MeV with circular polarization are then converted in a relatively thin target to generate longitudinally polarized positrons. Measurements of the positron polarization have been performed at 5 different energies of the positrons. In addition electron polarization has been determined for one energy point. For a comparison of the measured asymmetries with the expectations detailed simulations were necessary. This required upgrading GEANT4 to include the dominant polarization dependent interactions of electrons, positrons and photons in matter. The measured polarization of the positrons agrees with the expectations and is for the energy point with the highest polarization at 6 MeV about 80 percent.

Zusammenfassung: In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, am e+e- und am gamma-gamma Collider mittels einer Monte Carlo Methode supersymmetrische Signaturen zu entdecken. Im Wesentlichen wurde sich auf den Nachweis von Myonen konzentriert. Zuerst wird der Nachweis von R-Smyonen in e+e- Kollisionen untersucht, der die Grundlage zur Bestimmung der R-Smyonen Masse ist. Es stellte sich heraus, dass eine statistische Unsicherheit von 0.11 GeV erreicht werden kann. Unter Annahme der Realbedingungen am ILC Photon Collider wurde eine Studie durchgeführt, die den Nachweis von R-Smyonen und L-Smyonen Paaren bei Schwerpunktsenergien von energie e-e- = 0.5 und 0.6 TeV beinhalted. Die Simulation ergab, dass ein statistischer Fehler für die Verzweigungsverhältnisse L-Smyonen -> Myonen + Neutralino1 von 0.98% und L-Smyonen -> Myonen + Neutralino2 von 3.97% erreicht werden kann. Um die Monte Carlo Ergebnisse beurteilen zu können, wurde eine Methode benutzt, die auf einem multidimensionalen Fit basiert, um den Einfluss der Messungen der Verzweigungsverhältnisse auf die Genauigkeit der SUSY Parameter abzuschätzen. Weiterhin wird die Möglichkeit untersucht, schwere Neutralinos wie Neutralino2 über den Nachweis von Myonen+ Myonen- Neutralino1 Myonen+ Myonen- Neutralino1 und e+ Myonen- Neutralino1 e- Myonen+ Neutralino1. Endzuständen, produziert in gamma-gamma Kollisionen, zu identifizieren. Diese Studie verdeutlicht, dass der Photon Collider, im Gegensatz zu Lepton Collidern, eine aussergewöhnliche Datenmenge für diese Topologie bieten wird. Es stellte sich heraus, dass die aus den Energieverteilungen der Leptonen im Endzustand gewonnene Information ausreicht, um das supersymmetrische Signal zu identifizieren. Aus den Streudiagrammen der invarianten Masse wurde die Massendifferenz der supersymmetrischen Teilchen in den Kaskaden bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Neutralino2 Masse und die Massendifferenzen Masse(Neutralino2)- Masse(Neutralino1) und Masse(L-Smyonen) - Masse(R-Smyonen) gut abgeschätzt werden können. Weitere potentielle Quellen der innnewohnenden systematischen Fehler werden diskutiert. / Abstract: In this thesis, the potential to discover supersymmetric signatures in both e+e- and gamma-gamma colliders evaluated with a Monte Carlo analysis, is discussed. The analysis was focused on the detection of muons, essentially. First, we study the detection of R-smuons in e-e+ collisions, whose purpose is the measurement of the smuon mass. It was found that an uncertainty of 0.11 GeV (stat) can be achieved. Under the assumption of the real conditions of the ILC photon collider, a study covering the detection of R-smuons and L-smuons pairs for a center-of-mass energy of e-e- = 0.5 and 0.6 TeV was performed. According to the simulation, a statistical error for the branching ratios of L-smuon -> muon neutralino1 of 0.98% and L-smuon -> muon + neutralino2 of 3.97% can be reached. In order to judge the Monte Carlo results, we have used a technique based on a multidimensional fit to evaluate the impact of the branching ratio measurements on the precision of the SUSY parameters. Furthermore, the possibility of identifying heavy neutralinos such as neutralino2 via detection of the muon+ muon- neutralino1 muon+ muon- neutralino1 and muon- e+ neutralino1 muon+ e- neutralino1 final states produced in gamma-gamma collisions, was explored. This study reveals that the photon collider will provide a remarkable amount of data for this topology, contrary to lepton colliders. Information acquired from energy distributions of final state leptons turns out to be enough to identify the supersymmetric signal. From the invariant mass scatter plots the mass difference of the supersymmetric particles involved in the cascades is determined. It is shown that the neutralino2 mass and the mass difference between neutralino2 and neutralino1 and L-smuon and R-smuon can be quite well estimated. Further potential sources of inherent systematic errors, are discussed.