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Les désintégrations rares B0s → μ + μ-et B0 → μ + μ-sont des canaux de référence pour contraindre les modèles au-delà du Modèle Standard (BSM) avec un plus grand secteur de Higgs. Dans le SM, la fraction de branchement de ces désintégrations est prédite avec une bonne précision: B (B0 (s) → μ + μ-) = (3,2 ± 0,2) × 10-9 et B (B0 → μ + μ-) = (0,10 ± 0,01) × 10-10. Tout écart par rapport à ces valeurs peuvent donner des indications sur la physique BSM. Le cœur de cette thèse comporte deux thèmes principaux: le rejet du bruit de fond et l'extraction du signal. Nous avons optimisé un classificateur multivariée basée sur la décision des arbres technique permettant une réduction drastique du bruit de fond de B → h + h'-(h ≡ π, K) . Après le processus de sélection, environ 76% du fond combinatoire pour B0s → μ + μ-est enlevé, tout en gardant une efficacité de signal d'environ 92%. Une autre discrimination entre le signal et le fond est réalisé avec un autre classificateur multivariée optimisé pour un rejet de grand fond dans la région de l'efficacité de signal faible. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'optimisation d'un classificateur d'arbres de décision qui supprime 99,9% du fond renforcé, après le processus de sélection ci-dessus, pour un rendement de signal de 50%. Nous avons proposé une méthode pour estimer les rendements de signaux présents dans notre échantillon de données en utilisant un ajustement extension maximale de vraisemblance. / The rare decays B0s→μ+μ− and B0→μ+μ− are benchmark channels to constrain models beyond the Standard Model (BSM) with a larger Higgs sector. In the SM, the branching fraction of these decays is predicted with a good accuracy: B(B0(s)→μ+μ−)=(3.2±0.2)×10−9 and B(B0→μ+μ−)=(0.10±0.01)×10−10. Any deviation from these values can lead to indications of physics BSM. The core of this thesis comprises two main topics: the background rejection and the signal yields extraction. We have optimized a multivariate classifier based on the boosted decision trees technique allowing for a drastic reduction of the B→h+h′− (h≡π,K) background. After the selection process, about 76% of the combinatorial background for B0s→μ+μ− is removed, while keeping a signal efficiency of about 92%. A further discrimination between signal and background is accomplished with another multivariate classifier optimized to have a large background rejection in the low signal efficiency region. The work presented in this thesis describes the optimization of a boosted decision trees classifier that suppresses 99.9% of the background, after the aforementioned selection process, for a signal efficiency of 50%. We have proposed a method to estimate the signal yields present in our data sample using an extended maximum likelihood fit.

The impressive progress that elementary particle physics made in the second half of the last century led to the formulation of a comprehensive theory, known as the Standard Model (SM), which correctly describes all fundamental interactions in nature, except for the gravitational one. Indirect discoveries have always played an important role in high energy physics scenario and indirect research can be considered to all intents and purposes complementary to the direct one, since allows to test much higher energy scales than those the current colliders are able to reach. This is very important now that electroweak precision tests and measurements on Flavour Changing Neutral Currents (FCNC) processes put very stringent constraints on physics beyond the SM, requiring it to appear at scales O(10 TeV). On the other hand, New Physics (NP) is expected already at scales O(1 TeV) in order to offer a natural explanation to the smallness of the Higgs mass. This scale is also confirmed by recent constraints on thermal dark matter [1] which show how new physics should manifest not far above the electroweak scale. Rare B decays have always played a crucial role in shaping the flavour structure of the SM and particle physics in general. Since the first measurement of rare radiative B æ Kú“ decays by the CLEO Collaboration [2] this area of particle physics has received much experimental and theoretical attention. In particular, FCNC B decays, involving the b-quark transition b æ (s, d) + “ and b æ (s, d) + ¸+¸≠(¸ = e, μ, ·, ‹), provided crucial tests for the SM at the quantum level since they proceed through loop or box diagrams, and they are highly suppressed in the SM (also by helicity). Hence, these rare B decays are characterised by their high sensitivity to NP. The B0 s æ μ+μ≠ channel is the most direct example of the b æ s ¸¸ transitions. The SM predicted branching ratio [3] can be enhanced by coupling to non-SM heavy particles, such as those predicted by the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and other extensions. Updated measurements on the B0 s æ μ+μ≠ branching ratio have been presented by ATLAS [4], LHCb [5] and CMS [6] collaborations. In this thesis I will report all the studies I performed within the rare B decays ATLAS group, measuring the branching ratio of the B0 s æ μ+μ≠ channel on data collected during LHC Run 1. The first chapter provides a general introduction to the SM, focusing in particular on the flavour sector and the possible new physics scenarios. Chapter 2 briefly introduces the LHC collider and the ATLAS detector, detailing the muon and trigger systems, fundamental for the rare B decays measurements. In chapters 3 and 4, I will summarise the work done, during my presence at CERN, on the ATLAS semiconductor strip detector, monitoring the Lorentz angle during Run 1 and measuring the backplane resistance of the silicon modules installed in the ATLAS cavern. In chapter 5, I will review the strategy adopted to measure the B0 s æ μ+μ≠ branching ratio, reporting all the studies I performed on the combinatorial background, and the results obtained on 4.9 fb≠1 of data collected in 2011. Chapters 6 and 7 detail respectively the additional studies I performed on the 2011 datasets and all the tests I made in preparation for the analysis on 20 fb≠1 of data collected in 2012. I will show the studies on the discriminating variables for the rejection of the background, the tests on the multivariate analysis and on the possible strategies for the invariant mass fit for the extraction of the signal yield. All these studies proved to be fundamental for the 2012 measurement detailed in chapter 8.

Les désintégrations de quark $b$ rares interviennent principalement via des courant neutres changeant la saveur, (Flavor Changing Neutral Current, FCNC en anglais). Le modèle Standard n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Ces processus FCNC sont sujets \`a une suppression de GIM conduisant à des processus rares. Par conséquent les désintégration $b to s$ sont de très bon outils pour la recherche de phénomène de Nouvelle Physique au delà du Modèle Standard. Cette thèse présente l'analyse angulaire de la désintégration $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ avec l'ensemble des données collecté par l'expérience lhcb durant le run I du lhc. La complète série des observable angulaires a été mesuré via un ajustement d'une fonction de vraisemblance, gr$\hat{\rm a}$ce à une sélection amélioré et les 3 fb$^{-1}$ de donné collecté en 2011 et 2012 par lhcb. Par ailleurs, l'analyse du rapport $R_{K^*}$ est également présenté et les résultats sont attendu pour la fin de l'année 2015. / Rare beauty decays proceed mostly through the $b\to s$ Flavor Changing Neutral Current, which is possible only at loop level in the Standard Model. These FCNC processes are subject to GIM suppression leading to a rare decay. Therefore the $b\to s$ processes are good tools to look for New Physics phenomenon beyond the Standard Model. New Physics particle could become detectable by causing deviation from the Standard Model predictions for observables such as angular observables, branching ratio or CP asymmetries. This thesis present the angular analysis of the $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ decay with the whole dataset collected by lhcb during the first run of the lhc. The full set of the angular observables has been measured through a maximum likelihood fit, thanks to an improved selection and the 3 fb$^{-1}$ of data collected in 2011 and 2012 by lhcb. In addition, the analysis on the measurement of the ratio $R_{K^*}$ has also been presented and the results are expected by the end of 2015.

Les désintégrations charmées rares interviennent principalement via des courants neutres changeant la saveur (FCNC). Le Modèle Standard (SM) n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Dans les désintégrations du charme, les FCNC sont sujets à une très efficace suppression de GIM. Des processus très rares sont donc à considérer. Ils sont d'excellents outils pour la recherche Nouvelle Physique (NP) au-delà du SM. Les particules de NP pourraient devenir détectables en écartant des observables telles que des rapports de branchement et des asymétries CP et angulaires prévisions de le SM. Le sujet principal de cette thèse est la mesure du rapport de branchement D0->K-π+ρ/ω(->µ+µ-). Il sera précieux en particulier en tant que mode de normalisation lors de l'étude de toutes les désintégrations D0 -> h-h’+ µ+µ- : D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- et D0 -> K+π-µ+µ-. En utilisant 2/fb de données collectées par LHCb en 2012, nous mesurons: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. C'est la toute première mesure de ce mode. Nous avons également étudié la sensibilité qu'attendra LHCb dans les modes D0 -> h-h’+ µ+µ- pour la mesure de rapport des branchements totaux et partiels, et pour celle d'asymétries, avec les échantillons de données qui seront collectés d'ici 10 ans. Par ailleurs, nous avons déterminé les incertitudes systématiques touchant les recherches de désintégrations à trois corps, D+(s) -> π+µ+µ- et D+(s) -> π-µ+µ+, effectués par LHCb dans les données recueillies en 2011 (1/fb). Enfin, les tests effectués sue les prototypes des cartes d'électronique embarquée qui assureront la lecture des calorimètres de l'expérience le LHCb mise à jour sont présenté dans cette thèse. / Rare charm decays proceed mostly through the c -> u Flavor Changing Neutral Current (FCNC), which is possible only at loop level in the Standard Model (SM). In charmed decays, FCNCs are subject to a very efficient GIM suppression, leading to very rare processes. Consequently, rare charm decays are good tools to probe to New Physics (NP) beyond the SM. NP particles could become detectable by causing observables such as branching ratios and CP or angular asymmetries to deviate from the SM predictions. The main subject of this thesis is the measurement of the branching ratio of the D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-) mode. It will be precious in the future, in particular as a normalization mode in the study of all: D0 -> h-h’+ µ+µ- decays D0 -> K-π+µ+µ-, D0 -> π+π-µ+µ-, D0 -> K+K-µ+µ- and D0 -> K+π-µ+µ-. Using 2/fb of 2012 LHCb data we find: B(D0 -> K-π+ ρ/ω (->µ+µ-)) = (4.37± 0.12(stat.) ±0.53(syst.)) ×10^-6. This is the first measurement of this mode. We also determined sensitivities to total and partial branching fractions and asymmetries in D0 -> h-h’+ µ+µ- decays with future LHCb datasets. In addition, the systematic uncertainties affecting the searches for the 3-body decays, D+(s) -> π+µ+µ- and D+(s) -> π-µ+µ+, carried out by LHCb based on the data collected in 2011 (1/fb). Finally, the results of the tests of front-end electronic board for the Upgrade of LHCb are presented.

In dieser Dissertation werden Resultate einer Suche nach der Produktion von Einzel-Top-Quarks über flavour-verletzende neutrale Ströme (FCNCs) in starken Welchselwirkungen vorgestellt. Hierfür werden Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8TeV verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment im Jahr 2012 aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 14.1 fb−1. In der Analyse werden FCNC-Ereignisse selektiert, in denen ein leichtes Quark (u oder c) mit einem Gluon wechselwirkt, und ein einzelnes Top-Quark und potentiell ein weiterer einzelner Jet produziert wird. Mittels der Forderung nach genau einem Myon oder Elektron, großer fehlender Transversalenergie und exakt einem Bottom-Quark-Jet und eventuellem zusätzlichen Jet im Endzustand werden Kandidaten der gesuchten Ereignisse im leptonischen Zerfallskanal des Top-Quarks selektiert. Zur Unterscheidung zwischen Signal- und Untergrundereignissen werden multivariate Methoden herangezogen. Künstliche neuronale Netze werden verwendet, um diverse kinematische Variablen zu einem einzelnen Klassifikator zu kombinieren. Um die potentielle Produktion von Top-Quarks über FCNCs zu quantifizieren, werden die Ausgaben der neuronalen Netze einer Bayes''schen statistischen Analyse unterzogen. Da kein Überschuss an Signalereignissen festgestellt werden kann und die Ergebnisse den Erwartungen der theoretischen Vorhersagen entsprechen, werden neue obere Schranken auf den FCNC-Produktionswirkungsquerschnitt von Einzel-Top-Quarks ermittelt. Aus diesen werden unter Verwendung von modell-unabhängigen theoretischen Berechnungen neue obere Schranken auf die Kopplungskonstanten sowie auf die entsprechenden Verzweigungsverhältnisse ermittelt. / This thesis presents results of a search for single top-quark production via flavour-changing neutral currents (FCNCs) in strong interactions using data recorded with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2012. A dataset from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8TeV and corresponding to an integrated luminosity of 14.1 fb−1 is used. It is searched for FCNC events in which a light quark (u or c) interacts with a gluon to produce a single top quark, either with or without the associated production of another light quark or gluon. Candidate events of leptonically decaying top-quarks are selected by requiring a single electron or muon, a substantial amount of missing transverse energy, and exactly one or two jets of which exactly one has to fulfil a b-tagging criterion. Multivariate techniques are employed in order to distinguish between signal- and background-like events by making use of artificial neural networks that combine multiple kinematic variables into a single classifier output. A Bayesian statistical analysis is performed on the classifier outputs in order to quantify potential signs of FCNC single top-quark production. No excess in signal events is observed and the results are in agreement with the theory predictions. Consequently a new upper limit is set on the FCNC single top-quark production cross-section multiplied by the t->Wb branching fraction. Using theory calculations within a model-independent effective theory framework, this limit is converted into upper limits on the coupling constants of the FCNC interactions as well as into respective upper limits on the branching fractions.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

Orientador: Doutor José Kenichi Mizukoshi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2012

Les désintégrations rares $B^{0}_{s} \to \mu^+ \mu^-$ et $B^{0} \to \mu^+ \mu^-$ sont des canaux de référence pour contraindre les modèles au-delà du Modèle Standard avec secteur de Higgs étendu. Dans le Modèle Standard, le rapport d' embranchement de ces désintégrations est prédit avec une bonne précision: $\mathcal{B}(B^{0}_{(s)} \to \mu^+ \mu^-) = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \to \mu^+ \mu^-) = (0.10 \pm 0.01) \times 10^{-10}$. Tout écart par rapport à ces valeurs peut donner des indications sur une nouvelle physique. Le cœur de cette thèse, basée sur l'analyse des données prises par l'experience LHCb en 2011, comporte deux thèmes principaux: le rejet du bruit de fond et l'extraction du signal. Nous avons optimisé un classificateur multivariée basé sur les arbres de décision boostés permettant une réduction drastique du bruit de fond de $B \to h^+ h'^-$ ($h \equiv \pi, K$). Après la sélection, environ 76$\%$ du bruit de fond combinatoire de $B^{0}_{s} \to \mu^+ \mu^-$ est éliminé, tout en conservant une efficacité sur le signal de l'ordre de 92$\%$. Une autre discrimination entre le signal et le fond est réalisé avec un autre classificateur multivarié optimisé pour avoir un grand rejet du bruit de fond dans la région de faible efficacité en signal. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'optimisation d'un des arbres de décision boostés qui supprime 99.9$\%$ du bruit, après le processus de sélection ci-dessus, pour une efficacité de signal de 50$\%$. Nous avons proposé une méthode pour estimer les signaux présents dans notre échantillon de données en utilisant un ajustement de la fonction de vraisemblance. La validation de l'ajustement avec simulation reflète la bonne estimation des incertitudes statistiques et les incertitudes systématiques ont été soigneusement étudiés et prises en compte dans les résultats finaux pour l'échantillon de données de 2011: $\mathcal{B}(B^{0}_{s} \rightarrow \mu^+\mu^-) = (1.4 \left(^{+1.6}_{-1.1} \right)_{(stat)} \left(^{+0.5}_{-0.8} \right)_{(syst)} ) \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \rightarrow \mu^+\mu^-) = (0.3 \left(^{+0.5}_{-0.4}\right)_{(stat)} \left(^{+0.5}_{-0.3}\right)_{(syst)}) \times 10^{-9}$. Etant donné l'absence de signal, les limites supérieures des rapports d'embranchement sont calculées: $\mathcal{B}(B^{0}_{(s)} \to \mu^+ \mu^-)<4,5 \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \to \mu^ + \mu^-) <1,0 \times 10^{-10}$ á 95\% de niveau de confiance, qui sont les limites les plus restrictives jusqu'à ce jour.