Neste trabalho investigamos a física de Pomeron, tanto em sua formulação perturbativa dada pela Cromodinâmica Quântica como o aspecto não-perturbativo dado pela teoria de Regge. Estes formalismos teóricos levam em consideração o fato que o Pomeron porta os números quânticos do vácuo e deve dominar o espalhamento entre partículas em altas energias. Partindo do formalismo de dipolos de cor, estudamos a interação perturbativa usual corrigida por efeitos de unitariedade em altas energias para os processos DIS e Drell- Yan, determinando a importância destas correções para ambos processos. Referente ao Pomeron não-perturbativo, investigamos os aspectos do modelo de múltiplos espalhamentos, o qual também contribui também para a unitariedade no setor suave. Dado os resultados similares entre modelos QCD e de Regge na descrição de DIS difrativo, propomos um novo observável, o coeficiente angular difrativo da função de estrutura difrativa, que permitirá discriminar dinâmicas subjacentes ao processo. Finalmente estudamos a fenomenologia associada à truncagem da série assintótica advinda do formalismo BFKL, e a utilizamos para descrever os principais observáveis em colisões hadrônicas e elétron-próton.

Neste trabalho investigamos a física de Pomeron, tanto em sua formulação perturbativa dada pela Cromodinâmica Quântica como o aspecto não-perturbativo dado pela teoria de Regge. Estes formalismos teóricos levam em consideração o fato que o Pomeron porta os números quânticos do vácuo e deve dominar o espalhamento entre partículas em altas energias. Partindo do formalismo de dipolos de cor, estudamos a interação perturbativa usual corrigida por efeitos de unitariedade em altas energias para os processos DIS e Drell- Yan, determinando a importância destas correções para ambos processos. Referente ao Pomeron não-perturbativo, investigamos os aspectos do modelo de múltiplos espalhamentos, o qual também contribui também para a unitariedade no setor suave. Dado os resultados similares entre modelos QCD e de Regge na descrição de DIS difrativo, propomos um novo observável, o coeficiente angular difrativo da função de estrutura difrativa, que permitirá discriminar dinâmicas subjacentes ao processo. Finalmente estudamos a fenomenologia associada à truncagem da série assintótica advinda do formalismo BFKL, e a utilizamos para descrever os principais observáveis em colisões hadrônicas e elétron-próton.

The PANDA experiment is planned as part of the extended GSI facility FAIR to investigate hadronic reactions in antiproton-proton annihilations. An excellent beam quality and high luminosity is expected which allows the investigation of hadronic reactions such as the spectroscopy of the charmonium system. To ensure different studies of hadronic systems an universal detector is being designed, the PANDA detector. A high resolution Micro Vertex Detector (MVD), as part of the whole setup, is an important component of the track and vertex reconstruction. A mayor part of this work were simulation studies to investigate the resolution ability of the vertex detector. For this the development and implementation of reconstruction algorithms and their integration to the track and vertex reconstruction were an essential part to allow the detailed study of the resolution of the MVD and the whole apparatus under realistic assumptions. The track and vertex reconstruction ability of the detector is shown exemplarily for the channels antiproton-proton into two charged pions and into J/psi and photon. The expected hadronic background for physics observables requires a high selection power of the experimental setup, especially for the investigation of the charmonium system above the DD(bar) threshold. For this particular energy region no experimental data exist and the PANDA experiment can contribute to understand the binding of charmed mesonic systems. Charmonium states can decay to open-charm channels which provide a clear signature in the detector from the charged D-Meson decays. In this work the high selection ability of the experimental setup was investigated for two reaction channels. Under the assumption of an expected low reaction cross section the clear identification of the DD(bar) decay channel was shown, even for the presence of a huge hadronic background. This allows a clear identification of the DD(bar) decay channel and mayor background resources for this channel were discussed. / Das PANDA Experiment wird Teil der geplanten Ausbaustufe FAIR als Erweiterung zur GSI und wird die Untersuchung von hadronischen Reaktionen in Antiproton-Proton Annihilationen ermöglichen. Durch die zu erwartende exzellente Strahlqualität und hohe Luminosität ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchung von Hadronenwechselwirkungen, wie beispielsweise die genaue Spektroskopie des Charmoniumsystems. Um vielfältige Untersuchungen verschiedenster hadronischer Systeme zu gewährleisten, wurde der Aufbau eines universellen Detektors geplant, des PANDA Detektors. Dazu ist ein hochauflösender Vertexdetektor (MVD) eine wichtige Komponente, um im Zusammenspiel mit weiteren Detektorkomponenten zur Spur- und Vertexrekonstruktion beitragen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden detaillierte Simulationen durchgeführt, die das Auflösungsvermögen des Vertexdetektors charakterisieren, ganz besonders im Hinblick auf die Rekonstruktion verschiedener physikalischer Kanäle. Dafür war die Entwicklung und Implementierung von Algorithmen zur Rekonstruktion der zu erwartenden Detektordaten und deren Integration in den Spurfit zur Teilchenrekonstruktion eine Grundvoraussetzung. Dadurch ist es möglich das Auflösungsvermögen des MVD und des gesamten experimentellen Aufbaus unter realistischen Bedingungen zu testen und zu optimieren. Die Spur- und Vertexrekonstruktion wird anhand der Kanäle Antiproton-Proton nach zwei geladenen Pionen und nach J/Psi Photon evaluiert. Der zu erwartende hadronische Untergrund stellt hohe Anforderungen an die Selektionskraft des experimentellen Aufbaus, bezüglich der physikalischen Observablen, dar. Dies ist besonders für die Untersuchung des Charmoniumsystems oberhalb der DD(quer)-Schwelle von Bedeutung, wofür kaum experimentelle Untersuchungen vorliegen und der PANDA Detektor zukünftig einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis gebundener mesonischer Systeme beitragen kann. Zuständen im Charmoniumsystem ist es erlaubt in Open-Charm-Kanäle zu zerfallen, die eine eindeutige experimentelle Signatur mittels der D-Zerfälle in geladene Teilchen im Detektor erlauben. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand zweier grundlegender Reaktionen gezeigt werden, dass selbst unter ungünstigen Annahmen über den zu erwartenden Wirkungsquerschnitt, der noch nicht schwellennah vermessen wurde, das stark unterdrückte Signal gegenüber Untergrundereignissen hinreichend angereichert werden kann. Dies erlaubt eine klare Identifizierung des DD(quer)-Ausgangskanales, wobei die wesentlichen Untergrundbeiträge identifiziert und diskutiert werden.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

Teilchenschauer können sowohl durch Photonen als auch durch geladene Teilchen erzeugt werden. Letztere kommen etwa 1000-mal häufiger vor als die durch Photonen erzeugten Teilchenschauer. Dies beeinflusst die Sensitivität des VERITAS-Experiments erheblich. Um diese gegenüber Gammastrahlung zu steigern, ist es notwendig, die Gamma-Hadron Separation zu verbessern. In dieser Dissertation wurde eine Analysemethode, basierend auf Boosted Decision Trees (BDTs), entwickelt und für die Analyse der Daten des VERITAS-Observatoriums optimiert. Das große Potential zur Unterscheidung von Teilchenschauern der Photonen und der Hadronen wird anhand ausführlicher Tests und systematischer Studien mit Simulationen von Gammastrahlung und Beobachtungsdaten der kosmischen Strahlung verdeutlicht. Im Vergleich zur Standardanalyse kann die Sensitivität mit Hilfe der BDT Methode deutlich erhöht werden. Die entwickelte und optimierte BDT Methode wird auf Beobachtungsdaten der Cygnus-Region angewandt. Diese ist eine der aktivsten sternbildenden Regionen unserer Galaxie und beherbergt eine Vielzahl von potentiellen kosmischen Teilchenbeschleunigern. Aufgrund der enormen Dichte an potentiellen Quellen sowie der hohen Wahrscheinlichkeit, neue Quellen zu detektieren und zu identifizieren, wurde die Cygnus-Region von April 2007 bis Juni 2012 mit VERITAS beobachtet. Die Beobachtungsdaten wurden mit einer für diese Himmelsregion optimierten Analysetechnik aufbereitet und ausgewertet. Vier Quellen hochenergetischer Gammastrahlung wurden detektiert: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368 und VER J2016+371. Detaillierte spektrale Untersuchungen werden vorgestellt, gefolgt von einer Diskussion möglicher assoziierter Objekte in anderen Wellenlängenbereichen. Schließlich konnten mit Hilfe der verbesserten Sensitivität von VERITAS durch die BDT Methode niedrigere Obergrenzen für den Fluss der hochenergetischen Gammastrahlung von 50 potentiellen Gammastrahlungsquellen abgeleitet werden. / Particle showers can be generated by photons or charged cosmic rays. Before applying any selection requirements, showers initiated by cosmic rays are about 1000 times more common than those initiated by photons. This constitutes a vast amount of background events measured by VERITAS, limiting the sensitivity to gamma rays. To improve the separation power between gamma-ray and cosmic-ray showers, an analysis technique based on Boosted Decision Trees (BDTs) is developed. Extensive tests are performed to study the discrimination capabilities of the BDT method using cosmic-ray data and Monte-Carlo simulations of gamma rays. Compared to the VERITAS standard analysis, the BDT method improves the sensitivity of detecting gamma rays. The BDT method is applied to data obtained from observations of the Cygnus region, one of the most active star-forming regions of our Galaxy. It hosts numerous astrophysical objects capable of accelerating particles to extremely high energies, such as supernova remnants, pulsar wind nebula, binary systems, and associations of massive OB stars. The high density of potential sources and the information from multiwavelength observations led VERITAS to perform observations of the Cygnus region between April 2007 and June 2012. Four sources were detected in very-high-energy gamma rays: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368, and VER J2016+371. They were analysed in detail and compared to possible counterparts measured at other wavelengths. The spectra of the three of the sources were fit to a power law. Two out of three spectra are consistent with those obtained in previous measurements, where the third one shows a softer spectral index than the published result. Finally, the greater sensitivity reached with the BDT method allowed the derivation of the most stringent upper limits to date on 50 potential gamma-ray sources.

La chromodynamique quantique (QCD), théorie actuellement utilisée pour décrire l’interaction forte, a prédit l’existence d’une transition de phase, à très haute température et/ou densité, vers un état de la matière nucléaire où les quarks et les gluons sont déconfinés : le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP). Un tel milieu peut être produit en laboratoire, et la mesure de ses propriétés permet d’apporter un éclairage nouveau sur les mécanismes sur les mécanismes d’interactions entre les constituants ainsi que de tester la QCD dans des domaines inexplorés.Les collisions d’ions lourds ultra-relativistes délivrées par l’accélérateur LHC au CERN permettent d’obtenir les conditions thermodynamiques nécessaires à la formation du QGP. À l’aide d’une instrumentation diversifiée, l’expérience ALICE permet d’accéder à un grand nombre d’observables permettant de caractériser le QGP. Parmi celles-ci, la mesure de la fragmentation des partons (quarks et gluons) permet d’étudier en détail les mécanismes de perte d’énergie des partons dans le milieu et de sa redistribution dans l’état final, et peut également être comparée à des calculs théoriques modélisant, à partir de la QCD, l’interaction d’un parton énergétique avec le QGP qu’il traverse.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit s’articule autour de l’étude de la fonction de fragmentation par la mesure des corrélations photon-hadron en collisions proton-proton et proton-Plomb. Dans un premier temps, un travail de calibration en énergie du calorimètre électromagnétique de l’expérience ALICE a été réalisé, accompagné de la caractérisation des incertitudes de cette calibration. Dans un second temps, les corrélations photon-hadron, dont la difficulté majeure réside en l’identification des photons directs, ont été étudiées. Les résultats obtenus dans les deux systèmes de collisions démontrent la faisabilité de l’analyse qui pourra être étendue facilement aux collisions Plomb-Plomb périphériques. Enfin, ce travail montre que les incertitudes dominantes de la mesure seront réductibles avec les données prochainement délivrées par le LHC. / The quantum chromodynamics (QCD), the theory used at present to describe the strong interaction, predicts the existence of a phase transition, at very high temperature and/or density, towards a state of nuclear matter where quarks and gluons are deconfined : the Quark-Gluon Plasma (QGP). Such a medium can be produced in laboratory, and the measurement of its properties allows to give a new perspective on the mechanisms of interactions between the constituents as well as to test the QCD in unexplored domains.Ultra-relativistic heavy ion collisions delivered by the accelerator LHC at CERN allow to obtain the thermodynamical conditions necessary for the QGP to be formed. By means of a diversified instrumentation, the ALICE experiment allows to reach a large number of observables allowing to characterize the QGP. Among these, the measurement of the fragmentation of the partons (quarks and gluons) allows to study in detail the mechanisms of energy loss in the medium and its redistribution in the final state, and can also be compared with theoretical calculations, based on QCD, that model the interaction of an energetic parton with the QGP which is passing through.The work presented in this manuscript is articulated around the study of the fragmentation function via the measurement of the photon-hadron correlations in proton-proton and proton-Lead collisions. At first, a work on energy calibration of the ALICE experiment’s electromagnetic calorimeter was realized, along with the characterization of the uncertainties of this calibration. Secondly, the photon-hadron correlations, whose main difficulty is the identification of the direct photons, were studied. The results obtained in both systems of collisions demonstrate the feasibility of the analysis which can be easily widened to the peripheral Lead-Lead collisions. Finally, this work shows that the dominant uncertainties of the measurement will be reducible with the new data delivered by the LHC.

Grâce à l’exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S’inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d’une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d’exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l’unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l’invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l’ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d’une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider. / With the start of the Large Hadron Collider runs, in 2010, particle physicists will be soon able to have a better understanding of the electroweak symmetry breaking. They might also answer to many experimental and theoretical open questions raised by the Standard Model. Surfing on this really favorable situation, we will first present in this thesis a highly modelindependent parametrization in order to characterize the new physics effects on mechanisms of production and decay of the Higgs boson. This original tool will be easily and directly usable in data analysis of CMS and ATLAS, the huge generalist experiments of LHC. It will help indeed to exclude or validate significantly some new theories beyond the Standard Model. In another approach, based on model-building, we considered a scenario of new physics, where the Standard Model fields can propagate in a flat six-dimensional space. The new spatial extra-dimensions will be compactified on a Real Projective Plane. This orbifold is the unique six-dimensional geometry which possesses chiral fermions and a natural Dark Matter candidate. The scalar photon, which is the lightest particle of the first Kaluza-Klein tier, is stabilized by a symmetry relic of the six dimension Lorentz invariance. Using the current constraints from cosmological observations and our first analytical calculation, we derived a characteristic massrange around few hundred GeV for the Kaluza-Klein scalar photon. Therefore the new states of our Universal Extra-Dimension model are light enough to be produced through clear signatures at the Large Hadron Collider. So we used a more sophisticated analysis of particle mass spectrum and couplings, including radiative corrections at one-loop, in order to establish our first predictions and constraints on the expected LHC phenomenology

The ATLAS experiment is one of the two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider at CERN near Geneva. The goals of this particle physics experiment are the search for new physics phenomena and precision measurement of the particle interactions. Tilecal is the central hadronic calorimeter of the ATLAS. The calorimeter time calibration is important for the time-of-flight measurement of particles (used in some analyses) as well as for the actual energy reconstruction. 1

To learn more about the structure of hadrons we study form factors. In the semi-leptonic decay Ω- → Ξ0W- two types of form factors arise namely the vector and axial-vector transition form factors. We focus on the vector transition form factors at next-to-next-to-leading order in the power counting of chiral perturbation theory and study their quark mass dependence. They are related to the scattering amplitude for the transition and therefore we have to calculate Feynman diagrams. Next-to-next-to-leading order Feynman diagrams translate to 1-loop diagrams and at this order there is a substantial amount of them. This study is a feasibility study and therefore we limit this study to diagrams containing the low-energy constants HA and hA from the leading order chiral Lagrangian. There are 5 such diagrams, three with two propagators in the loop (bubble diagrams) and two with three propagators in the loop (triangle diagrams). We derive explicit expressions for all 5 diagrams. To calculate these diagrams numerically we use Mathematica and FeynCalc. We provide numerical results for the three bubble diagrams but not the triangle diagrams due to the long computing time for these diagrams. Therefore, we show that performing form factor calculations at NNLO seems feasible but there needs to be more investment into figuring out the coding aspects regarding the triangle diagrams.

Doctor of Philosophy / Physics / Andrew G. Ivanov / In this thesis the measurement of production cross section of top-quark pairs in association with a photon in proton-proton collisions at a center of mass energy of 8 TeV is presented. The data was recorded at the CMS experiment at the LHC in 2012. This measurement aims to extend our knowledge of top quark properties and help to test consistency of the Standard Model (SM) of particle physics. Data-driven methods are used to estimate the photon identification efficiency and purity. The measured cross-section agrees with the standard model expectation.