One of the primary targets of current and especially future cosmological observations are light thermal relics of the hot big bang. Within the Standard Model of particle physics, an important thermal relic are cosmic neutrinos, while many interesting extensions of the Standard Model predict new light particles which are even more weakly coupled to ordinary matter and therefore hard to detect in terrestrial experiments. On the other hand, these elusive particles may be produced efficiently in the early universe and their gravitational influence could be detectable in cosmological observables. In this thesis, we describe how measurements of the cosmic microwave background (CMB) and the large-scale structure (LSS) of the universe can shed new light on the properties of neutrinos and on the possible existence of other light relics. These cosmological observations are remarkably sensitive to the amount of radiation in the early universe, partly because free-streaming species such as neutrinos imprint a small phase shift in the baryon acoustic oscillations (BAO) which we study in detail in the CMB and LSS power spectra. Building on this analytic understanding, we provide further evidence for the cosmic neutrino background by independently confirming its free-streaming nature in different, currently available datasets. In particular, we propose and establish a new analysis of the BAO spectrum beyond its use as a standard ruler, resulting in the first measurement of this imprint of neutrinos in the clustering of galaxies. Future cosmological surveys, such as the next generation of CMB experiments (CMB-S4), have the potential to measure the energy density of relativistic species at the sub-percent level and will therefore be capable of probing physics beyond the Standard Model. We demonstrate how this improvement in sensitivity can indeed be achieved and present an observational target which would allow the detection of any extra light particle that has ever been in thermal equilibrium. Interestingly, even the absence of a detection would result in new insights by providing constraints on the couplings to the Standard Model. As an example, we show that existing bounds on additional scalar particles, such as axions, may be surpassed by orders of magnitude.

Des progrès expérimentaux importants sont en cours dans l’étude des désintégrations rares de mésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail présent mesure la portée indirecte de ces progrés sur des extensions supersymétriques du modèle standard. Même dans des modèles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersymétriques. La précision gagnée par les facteurs de forme et les corrections d’ordre supérieur nouvellement implémentés dans le programme public ”SuperIso” montrent alors leur importance. / There are fast progresses in the experimental study of rare decay sof mesons containing a b-quark, and involving a pair of leptons and an s-quark. The present work measures the indirect implications of these progresses on the supersymmetric extensions of the Standard Model. Even within constrained models, the indirect limits obtained in this way can in some cases be stronger than those coming from direct searches of supersymmetric particles. The accuracy gained by the form factors and higher order corrections newly implemented in the public code ”SuperIso” are then fully relevant.

我們主要研究拓樸絕緣體與鐵磁物質之間的自旋幫浦效應（spin pumping effect），我們選用的鐵磁材料是具有鐵磁性的鎳鐵合金（Py），厚度固定為40nm，而拓樸絕緣體則是選用碲化鉍（Bi2Te3），厚度範圍是0～100nm，碲化鉍已被確定為一個三維拓撲絕緣體，拓撲絕緣體其表面電子態呈線性色散關係，本身中心是絕緣體，但其表面容許有導電態。此導電態一個最有用的特性是其電子的動量與自旋維持一定方向關係（spin-momentum locking），這使得以自旋來傳遞訊息成為可能。但是實驗上要達到中心是絕緣體相當困難。 過去的實驗已驗證鐵磁共振（Ferromagnetic resonance，FMR）現象在鐵磁/一般金屬雙層膜以及鐵磁/半導體雙層膜，可以使其鐵磁層產生一純自旋流流向非磁性層，這被稱為自旋幫浦效應（spin pumping effect）。當此自旋流跨越膜面介面時，不同自旋的電子由於自旋軌道耦合作用（Spin–orbit interaction），將發生逆自旋霍爾效應（ISHE）並產生一橫向電荷流。在我們的研究中，鐵磁共振（FMR）現象透過網路分析儀在設定的外加磁場下掃描頻率。測得的共振頻率與磁場作圖並以Kittel equation擬合（fitting）出有效場（effective field）。我們發現於絕對溫度5K，隨著碲化鉍（Bi2Te3）膜厚從0nm到15nm增加時，其有效場也增加，但當薄膜厚度大於15nm時，有效磁場將下降。我們分析碲化鉍（Bi2Te3）的表面態（surface state）與塊材（bulk）對有效場變化之貢獻。

This thesis presents the search for New Physics in events with four top quarks using the data collected in proton-proton collisions by the ATLAS experiment at the LHC. The dataset corresponds to the one taken during all 2011 at √s = 7 TeV and a part of 2012 at √s = 8 TeV. The analysis focuses on a final state with two leptons (electrons and muons) with the same electric charge. This signature is experimentally favored since the presence of two same-sign leptons in the final state allows to reduce the background coming from Standard Model (SM) processes. The results are interpreted in the context of a low energy effective field theory, which assumes that New Physics at low energy can manifest itself as a four right-handed top contact interaction. In this context, this analysis allows testing a class of beyond-the-SM (BSM) theories which at low energy can manifest in this way. Backgrounds to this search have been estimated using simulated samples and data-driven techniques. Different sources of systematic uncertainties have been also considered. The final selection of events has been optimized by aiming at minimizing the expected upper limit on the four tops production cross-section in case of no signal events found. The signal region is then analyzed by looking for an excess of events with respect to the predicted background. No excess of events has been observed, and the observed upper limit on the four tops production cross-section has been computed. This limit is then translated to an upper limit on the coupling strength C=2 of the model. An upper limit on the four tops production cross-section in the SM has been also computed in the analysis performed at √s = 8 TeV. In addition to the physics analysis of the four tops signal, some studies about the LASER calibration system of the ATLAS Tile calorimeter are presented. In particular, they are related to the photodiodes system used to measure the intensity of the laser light in the LASER system.

Orientador: Vicente Pleitez / Resumo: O Modelo Padrão Efetivo é apresentado como um método consistente de parametrizar FísicaNova. Os conceitos de Matching e Power Counting são tratados, assim como a Expansão emDerivadas Covariantes introduzida como alternativa à construção do conjunto de operadoresefetivos resultante de um modelo UV particular. A técnica de integração funcional é aplicadaem casos que incluem o MP com Tripleto de Escalares e diferentes setores do modelo 3-3-1 napresença de Leptons pesados. Finalmente, o coeficiente de Wilson de dimensão-6 gerado a partirda integração de um quark-J pesado é limitado pelos valores recentes do parâmetro obliquo Y. / Doutor

Submitted by FAGNER CINTRA CORREIA null (ccorreia@ift.unesp.br) on 2017-09-24T14:11:35Z No. of bitstreams: 1 Correia_TeseIFT.pdf: 861574 bytes, checksum: 1829fcb0903e20303312d37d7c1e0ffc (MD5) / Approved for entry into archive by Monique Sasaki (sayumi_sasaki@hotmail.com) on 2017-09-27T19:37:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 correia_fc_dr_ift.pdf: 861574 bytes, checksum: 1829fcb0903e20303312d37d7c1e0ffc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-27T19:37:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 correia_fc_dr_ift.pdf: 861574 bytes, checksum: 1829fcb0903e20303312d37d7c1e0ffc (MD5) Previous issue date: 2017-07-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O Modelo Padrão Efetivo é apresentado como um método consistente de parametrizar Física Nova. Os conceitos de Matching e Power Counting são tratados, assim como a Expansão em Derivadas Covariantes introduzida como alternativa à construção do conjunto de operadores efetivos resultante de um modelo UV particular. A técnica de integração funcional é aplicada em casos que incluem o MP com Tripleto de Escalares e diferentes setores do modelo 3-3-1 na presença de Leptons pesados. Finalmente, o coeficiente de Wilson de dimensão-6 gerado a partir da integração de um quark-J pesado é limitado pelos valores recentes do parâmetro obliquo Y. / It will be presented the principles behind the use of the Standard Model Effective Field Theory as a consistent method to parametrize New Physics. The concepts of Matching and Power Counting are covered and a Covariant Derivative Expansion introduced to the construction of the operators set coming from the particular integrated UV model. The technique is applied in examples including the SM with a new Scalar Triplet and for different sectors of the 3-3-1 model in the presence of Heavy Leptons. Finally, the Wilson coefficient for a dimension-6 operator generated from the integration of a heavy J-quark is then compared with the measurements of the oblique Y parameter. / CNPq: 142492/2013-2 / CAPES: 88881.132498/2016-01

Cette thèse a pour but la recherche de Nouvelle Physique dans les événements à quatre quarks top en utilisant les données collectées dans les collisions proton-proton par l'expérience ATLAS au LHC. L'ensemble des données correspond à celui enregistré pendant tout 2011 à √s = 7 TeV et une partie de l'année 2012 à √s = 8 TeV. L'analyse est concentrée sur un état final avec deux leptons (des électrons et des muons) avec la même charge électrique. Cette signature est expérimentalement privilégiée puisque la présence de deux leptons avec le même signe dans l'état final permet de réduire le bruit du fond qui vient des processus du Modèle Standard. Les résultats sont interprétés dans le contexte d'une théorie effective à basse énergie, qui suppose que la Nouvelle Physique peut se manifester à basse énergie comme une interaction de contact à quatre tops droits. Dans ce contexte, cette analyse permet de prouver un type de théorie au delà du Modèle Standard qui, à basse énergie, peut se manifester de cette manière. Les bruits du fond pour cette recherche ont été estimés en utilisant des échantillons simulés et des techniques axées sur les données. Différentes sources d'incertitudes systématiques ont été considérées. La sélection finale des événements a été optimisée en visant à minimiser la limite supérieure attendue sur la section efficace de production des quatre tops si aucun événement de signal n'est trouvé. La région du signal a été ensuite examinée à la recherche d'un excès d'événement en comparaison avec le bruit du fond prévu. Aucun excès d'événement n'a été observé, et la limite supérieure observée sur la section efficace de production de quatre quarks top a été calculée. Ceci a permis de calculer la limite supérieure sur la constante de couplage C=2 du modèle. Une limite supérieure sur la section efficace de production de quatre tops dans le Modèle Standard a été aussi calculée dans l'analyse a √s = 8 TeV. En plus de l'analyse physique du signal de quatre tops, des études concernant le système d'étalonnage LASER du calorimètre Tile ont été présentées. Ces études sont liées au système des photodiodes utilisé pour mesurer l'intensité de la lumière dans le système LASER. / This thesis presents the search for New Physics in events with four top quarks using the data collected in proton-proton collisions by the ATLAS experiment at the LHC. The dataset corresponds to the one taken during all 2011 at √s = 7 TeV and a part of 2012 at √s = 8 TeV. The analysis focuses on a final state with two leptons (electrons and muons) with the same electric charge. This signature is experimentally favored since the presence of two same-sign leptons in the final state allows to reduce the background coming from Standard Model (SM) processes. The results are interpreted in the context of a low energy effective field theory, which assumes that New Physics at low energy can manifest itself as a four right-handed top contact interaction. In this context, this analysis allows testing a class of beyond-the-SM (BSM) theories which at low energy can manifest in this way. Backgrounds to this search have been estimated using simulated samples and data-driven techniques. Different sources of systematic uncertainties have been also considered. The final selection of events has been optimized by aiming at minimizing the expected upper limit on the four tops production cross-section in case of no signal events found. The signal region is then analyzed by looking for an excess of events with respect to the predicted background. No excess of events has been observed, and the observed upper limit on the four tops production cross-section has been computed. This limit is then translated to an upper limit on the coupling strength C=2 of the model. An upper limit on the four tops production cross-section in the SM has been also computed in the analysis performed at √s = 8 TeV. In addition to the physics analysis of the four tops signal, some studies about the LASER calibration system of the ATLAS Tile calorimeter are presented. In particular, they are related to the photodiodes system used to measure the intensity of the laser light in the LASER system.

L'expansion accélérée de l'univers est devenu un fait établi que personne ne pouvait prévoir il y a encore une vingtaine d'années. Pour expliquer l'accélération cosmique, l'univers doit être composé de $75%$ d'énergie noire, une matière hypothétique à pression négative. Une alternative aussi vertigineuse consiste à modifier la relativité générale d'Einstein à l'échelle cosmique.Mes travaux de thèse portent sur la contrainte des modèles d'énergie noire et de gravité modifiée avec les données observationnelles provenant de la croissance linéaire des structures cosmologiques. Une méthode basée sur une nouvelle paramétrisation de l'index de croissance des perturbations linéaires cosmologiques permet d'analyser un grand nombre de modèles "accélératoires" en même temps. Nous avons évalué et validé cette méthode par une analyse systématique de sa précision et de sa performance. Mes résultats montrent que le modèle standard de la cosmologie (le modèle $Lambda$CDM) reste en accord avec les données actuelles. Dans une étude approfondie, nous simulons les contraintes possibles avec les futures sondes cosmologiques de "précision" comme Euclid. Pour analyser encore plus de modèles en même temps, nous introduisons la théorie effective des champs de l'énergie noire (EFT) dans le formalisme développé auparavant. La EFT est un formalisme prometteur qui permet d'explorer d'une manière complète tous les modèles gravitationnels non-standards résultant de l'addition d'un degré de liberté supplémentaire dans l'équation d'Einstein. Nous proposons une paramétrisation de cette théorie que nous confrontons avec les données actuelles et futures. / The accelerated expansion of the universe has become an established fact that nobody could foresee until twenty years ago. To explain the cosmic acceleration, the universe must be composed by $75%$ of dark energy, a hypothetical form of matter with negative pressure. Alternatively, Einstein's field equation must be modified on cosmic scales. During my thesis I have worked on the constraint of dark energy and modified gravity models with data coming from the observed growth rate of cosmic structures. We have introduced a method based on a new parametrization of the growth index of linear cosmological perturbations. An advantage is the possibility of a concurrent analysis of multiple accelerating models. We have evaluated and validated the method in a systematic precision and performance check. My results show that the standard model of cosmology (the $Lambda$CDM model) remains consistent with current data. In an ongoing study, we have simulated future constraints for upcoming cosmological 'precision' probes like Euclid.In a second step, we introduce the effective field theory of dark energy (EFT) into our formalism. The EFT is a promising framework that allows to explore in a complete way all non-standard gravitational models that result from adding one degree of freedom in Einstein's field equation. Another advantage is its neat split of background and perturbation observables. We propose a parametrization of the EFT that we confront with current and simulated future constraints.

La découverte au LHC d'un boson scalaire possédant des propriétés fortement similaires à celles du boson de Higgs du Modèle Standard, indique certainement que l'acteur principal du mécanisme de la brisure de symétrie électrofaible a été trouvé. Cependant, plusieurs théories au-delà du Modèle Standard prédisent l'existence d'une particule similaire provenant d'un secteur plus riche. La mesure des propriétés du boson scalaire découvert nous permettra de savoir si celui-ci correspond ou non à la particule prédite par le Modèle Standard. Pour ce faire, nous utilisons une approche modèle-indépendante via le cadre d'une théorie des champs effective (TCE) pour le boson de Higgs, afin de paramétrer les déviations de ses couplages à la matière par rapport au Modèle Standard. Nous nous focalisons sur une théorie basée sur un Lagrangien effectif de dimension 6, qui inclut à la fois des opérateurs de Charge-Parité paire et impaire. Dans un premier temps nous tentons d'obtenir des contraintes sur une partie des coefficients effectifs de Wilson, pertinents pour la physique du boson de Higgs au LHC, en utilisant les dernières données de taux du Higgs provenant du Run-I des expériences ATLAS et CMS, ainsi que des données de précision électrofaibles du LEP, SLC et du Tevatron. Nous montrons que les données actuelles sont capables de contraindre de manière significative les opérateurs de CP paire ainsi que certains opérateurs de CP impaire du Lagrangien effectif. Dans un second temps nous étudions de possibles désintégrations exotiques du boson de Higgs, qui ne sont générées qu'en tant que conséquence des opérateurs effectifs de dimension 6 (générés par de la nouvelle physique inconnue) et non par le Modèle Standard seul. Les limites expérimentales actuelles nous permettent de placer des bornes supérieures sur ces opérateurs. Pour finir nous analysons certaines limitations de l'approche effective, par la comparaison de certains processus avec boson de Higgs à l'ordre des arbres dans la TCE, avec les prédictions pour les mêmes processus calculés à l'arbre et à une boucle, dans une classe simple d'extensions du Modèle Standard connue sous le nom de "Two-Higgs doublet models". / The discovery at the LHC of a scalar boson, the properties of which are strongly similar to the ones of the Standard Model Higgs boson, certainly indicate that the main actor of the electroweak symmetry breaking mechanism was found. However, many beyond-the-Standard Model theories predict the existence of such a similar particle coming from a richer sector. Measuring the properties of the discovered scalar will tell us whether or not it is the same particle as the one predicted by the Standard Model. To this aim we use a model-independent approach through a Higgs Effective Field Theory (EFT) framework to parametrize the deviations of its couplings to matter from the Standard Model. We focus on a Higgs EFT framework based on a dimension-6 effective Lagrangian, including both CP-even and CP-odd operators. We first attempt at putting constraints on a part of the effective Wilson coefficients relevant for Higgs physics at the LHC, using the latest Higgs rates data from the Run-I of the ATLAS and CMS experiments, as well as electroweak precision data from LEP, SLC and Tevatron. We show that the current data is able to significantly constrain CP-even and some CP-odd operators of the effective Lagrangian. We then move on to the study of possible exotic Higgs decays, that can only be generated as a consequence of the effective dimension-6 operators (generated from unknown new physics) and not from within the Standard Model alone, and derive upper bounds on those operators given the present experimental limits. Finally we analyze some of the limitations of the effective approach by comparing predictions on some Higgs processes at tree-level in EFT with respect to predictions at tree and 1-loop level on the same processes computed in a simple class of Standard Model extensions known as "Two-Higgs doublet models".

La recherche indirecte des effets de la physique au-delà du Modèle Standard à travers les processus de la saveur est complémentaire aux efforts au LHC pour observer directement la nouvelle physique. Dans cette thèse nous discutons plusieurs scénarios au-delà du Modèle Standard (a) en utilisant une approche basée sur les théories de champs effective et (b) en considérant des extensions explicites du Modèle Standard, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs et les scénarios postulant l'existence des bosons leptoquarks scalaires à basse énergie. En particulier, nous discutons le phénomène de la brisure de l'universalité des couplages leptoniques dans les désintégrations basées sur les transitions b → sℓℓ et b → cτν, et la possibilité de chercher les signatures de la violation de la saveur leptonique à travers les modes de désintégration similaires. Une proposition pour tester la présence d'un boson pseudoscalaire léger à travers les désintégrations des quarkonia est aussi présentée. / Indirect searches of physics beyond the Standard Model through flavor physics processes at low energies are complementary to the ongoing efforts at the LHC to observe the New Physic phenomena directly. In this thesis we discuss several scenarios of physics beyond the Standard Model by (a) reusing the effective field theory approach and (b) by considering explicit extensions of the Standard Model, namely the two-Higgs doublet models and the scenarios involving the low energy scalar leptoquark states. Particular emphasis is devoted to the issue of the lepton flavor universality violation in the exclusive decays based on b → sℓℓ and b → cτν, and to the possibility of searching for signs of lepton flavor violation through similar decay modes. A proposal for testing the presence of the light CP-odd Higgs through quarkonia decays is also made.