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This work presents a study of the discovery potential for the neutral supersymmetric Higgs bosons h/A/H decaying to tau pairs with the ATLAS experiment at the LHC. The study is based on Monte Carlo samples which are scaled to state-of-the-art cross sections. The analyses are designed assuming an integrated luminosity of 30 1/fb and a center-of-mass energy of sqrt(s) = 14 TeV. The results are interpreted in the mmax h benchmark scenario. Two final states are analyzed: The dileptonic channel where the two tau leptons decay to electrons or muons and the lepton-hadron channel where one tau decays to an electron or muon and the other tau decays to hadrons. The study of the dilepton channel is based completely on the detailed ATLAS simulation, the analysis of the lepton-hadron channel is based on the fast simulation. The collinear approximation is used to reconstruct the Higgs boson mass and its performance is studied. Cuts are optimized in order to discriminate the signal from background and to maximize the discovery potential given a certain Higgs boson mass hypothesis. In the lepton-hadron channel the selection is split into two analyses depending on the number of identified b-jets. Procedures to estimate the dominant backgrounds from data are studied. The shape and normalization of the Z to tautau background are estimated from Z to leptonlepton control regions. The ttbar contributions to the signal regions are estimated from ttbar control regions. The individual analyses are combined and sensitivity predictions are made depending on the Higgs boson mass mA and the coupling parameter tanβ. The light neutral MSSM Higgs bosons with mA = 150 GeV can be discovered when at least tanbeta = 11 is realized in nature. The heavy neutral MSSM Higgs bosons with mA = 800 GeV can be discovered for tanbeta ≥ 44. However, due to the large width of the reconstructed Higgs boson mass and the mass degeneration, only the sum of at least two of the three Higgs boson signals will be visible.

En Juillet 2012, les expériences ATLAS et CMS annoncent la découverte d'une nouvelle particule de masse 125 GeV, compatible avec le boson de Higgs prédit par le Modèle Standard. Pour établir la nature de ce boson de Higgs et la comparer au Modèle Standard, il est nécessaire de mesurer le complage du boson de Higgs au fermions. En particulier le quark top possède le plus fort couplage de Yukawa avec le boson de Higgs. Ce couplage est accessible par le processus de production d'un boson de Higgs en association avec une paire de quarks tops (ttH). Cette thèse présente la recherche d'évènement ttH où le boson de Higgs se désintègre en deux quark b dans les données du Run 2 recueillies en 2015 et 2016 par le détecteur ATLAS. La composition du bruit de fond ainsi que la mesure du signal ttH dans les données sont obtenues à partir d'un ajustemement statistique des prédictions aux données. Le bruit de fond tt+jets étant la plus grande source d'incertitudes sur le signal, une attention particulière est portée à sa description.La détection des jets issus de quarks b, appelé b-tagging, est primordiale pour l'analyse ttH(H->bb) dont l'état final contient quatre quarks b. Afin d'améliorer la compréhension des performances des algorithmes de b-tagging pour le Run 2, la définition des jets de saveur b dans les simulations Monte Carlo est revisitée. Les algorithmes standards du b-tagging ne permettant pas la différenciation des jets contenant un ou deux quarks b, une methode spécifique à été développée et est présentée dans cette thèse. / In July 2012, the ATLAS and CMS experiments announced the discovery of a new particle, with a mass about 125 GeV, compatible with the Standard Model Higgs boson. In order to assess if the observed particle is the one predicted by the Standard Model, the couplings if this Higgs boson to fermions have to be measured. In particular, the top quark has the strongest Yukawa coupling to the Higgs boson. The associated production of a Higgs boson with a pair of top quarks (ttH) gives a direct access to this coupling. The ttH process is accessible for the first time in the Run 2 of the LHC thanks to an upgrade of the detector and the increase of the center of mass energy to 13 TeV. This thesis presents the search for ttH events with the Higgs boson decaying to a pair of b-quarks using data collected by the ATLAS detector in 2015 and 2016. The description of the background and the extraction of the ttH signal in data are obtained by a statistical matching on predictions to data. In particular the tt+jets background is the main limitation to signal sensitivity and is scrutinized.The identification of jets originating from b-quarks, called b-tagging, is a vital input to the search of ttH(H->bb) events because of the four b-quarks in the final state. For Run 2 the definition of b-flavoured-jets in Monte Carlo simulations is revisited to improve the understanding of b-tagging algorithms and their performance. Standard b-tagging algorithms do not separate jets originating from a single b-quark from those originating from two b-quarks. Thus a specific method has been developed and is reviewed in this thesis.

Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eines der erfolgreichsten physikalischen Theorien der modernen Geschichte ist, wurden schon früh viele theoretische Erweiterung entwickelt, welche versuchen, die offenen Fragen des Standardmodells zu lösen. So bietet das Standardmodell keine Erklärung für die Existenz der dunklen Materie oder eine vereinheitlichte Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen an. Viele der Modelle erweitern das Standardmodell mit zusätzlichen Symmetrien wie zum Beispiel der Supersymmetrie. Die einfachste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ist das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Diese Modelle sagen die Existenz eines zweiten Higgs-Dublette Feldes voraus, welches die Präsenz zusätzliche Higgs-Bosonen zur Folge hätte. Daher ist die Suche nach zusätzlichen Higgs-Bosonen ein wichtiges Fenster zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. In dieser Arbeit wird die Suche nach zusätzlichen, schweren und neutralen A und H Higgs-Bosonen im voll-hadronischen di-Tau Zerfallskanal präsentiert. Die Suche basiert auf dem vollständigen LHC Run-2 Datensatz, aufgezeichnet vom ATLAS Detektor in der Zeit von 2015 bis 2018. Die aufgezeichneten Daten entsprechen einer intrigierten Luminosität von 139 fb^−1 . Da kein signifikanter Überschuss an Daten im Verhältnis zur Untergrundabschätzung beobachtet wurde, werden die Resultate der Suche in Form von Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt mal dem Verzweigungsverhältnis für Higgs-Bosonen mit Massen zwischen 200 GeV und 2500 GeV, welche via Gluon-Gluon-Fusion oder b-assoziierter Produktion generiert wurden, angegeben. Die Ausschlussgrenzen werden berechnet mit einem Vertrauensniveau von 95 %. Die Resultate des voll-hadronischen Zerfallskanals werden kombiniert mit denen des semi-leptonischen Zerfallskanals und anschließend in den m_A-tanβ Parameterraum des hMSSM Modells als auch weiterer mh125 Modellvarianten transformiert. Die kombinierten Ausschlussgrenzen im Parameterraum des hMSSM Modells werden mit jener vorherigen Analysen publiziert durch die ATLAS und CMS Kollaboration verglichen, welche auf einem vorläufigen Run-2 Datensatz basieren. Im Verhältnis zu den vorherigen Resultaten von ATLAS (CMS) wurde eine signifikante Verbesserung von 10 % (11 %) für m A = 500 GeV bis hin zu 63 % (67 %) für m_A = 1200 GeV beobachtet. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiger Algorithmus, basierend auf moderner rekurrenten neuronalen Netzen vorgestellt, welcher Spuren im inneren Detektor des ATLAS Experiments hadronisch zerfallenden Tauonen zuordnen kann. Die Zuordnung der Spuren zu Tauonenzerfällen ist ein integraler Bestandteil der Rekonstruktion hadronisch zerfallender Tau-Leptonen bei ATLAS und liefert wichtige Informationen über dessen Ladung und Zerfallsmultiplizität. Durch Verwendung neuronaler Netze kann ein erheblicher Zuwachs in der Rekonstruktionseffizienz von 10 % und 20 % für hadronische Tauonzerfälle mit einer Zerfallsmultiplizität von 1 und 3 erreicht werden. Aufgrund dieser Verbesserungen erreicht der neue Algorithmus eine Rekonstruktionseffizienz nahe der maximal möglichen Effizienz. Zusätzlich ist es möglich, durch Ausnutzen der inhärenten Flexibilität neuronaler Netze das Training so zu verändern, dass die Netze unterschiedliches verhalten auf QCD Untergrund aufweisen. Es werden zwei Trainingskonfigurationen beschrieben, welche für die offline Datenanalyse oder die Anwendung in Trigger-Entscheidungen optimiert wurden. / Although the Standard Model of particle physics is one of the most successful and well-tested theories in physics, many extensions to the Standard Model were proposed that aim to resolve its shortcomings. Many of these models extend the Standard Model by adding additional symmetries such as Supersymmetry with one of the simplest being the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Supersymmetric models also require the presence of a second Higgs-doublet field which predicts the existence of additional Higgs bosons. Hence, the search for these additional Higgs bosons provides an important window into investigating physics beyond the Standard Model. In this thesis, the search for additional heavy neutral Higgs bosons A and H decaying into a fully hadronic tau lepton pair is presented based on 139 fb^−1 of data taken by the ATLAS detector during the full LHC Run-2 data taking period from 2015 to 2018. Since no significant excess of data with respect to the background estimation was found, the results are presented in terms of 95 % CL upper exclusion limits on the cross-section times branching ratio for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion and b-associated production. Different Higgs boson mass hypotheses are taken into account ranging from 200 GeV to 2500 GeV. A combination with the semi-leptonic search channel is performed whose exclusion limits are transformed into the m_A-tanβ parameter space of the hMSSM and various mh125 benchmark model scenarios. The combined exclusion limit set in the hMSSM model is compared to the previous publications by the ATLAS and CMS collaboration based on early Run-2 data of 36.1 fb^−1 and 35.9 fb^−1 respectively. Compared to previous exclusion limits set by ATLAS (CMS) for the hMSSM scenario, significant improvements are observed ranging between 11 % (10 %) at m_A = 500 GeV up to 63 % (67 %) at m_A = 1200 GeV. In addition to the Higgs boson search, a novel algorithm is presented to identify and select charged particle tracks reconstructed in the ATLAS inner detector originating from hadronic tau lepton decays. The identification of these tracks is an important part of the tau lepton reconstruction and identification at ATLAS and provides information about the decay multiplicity and charge of the tau lepton. By deploying state-of-the-art recurrent neural networks the reconstruction efficiency for tau leptons with a true decay multiplicity of 1 and 3 charged hadrons improves by about 10 % and 20 % respectively. With this improvement, the neural networks achieve a reconstruction efficiency close to the maximum efficiency possible. By exploiting the flexibility of the neural networks, they can be optimized for both offline data analysis and fast software trigger applications.

Le thème des analyses présentées dans ce document est la mesure des propriétés du boson de Higgs se désintégrant dans le mode H→ZZ→4l dans l'expérience ATLAS au CERN. Le document commence par un résumé détaillé concernant la procédure d'étalonnage des électrons: l'algorithme de combinaison trace-cluster améliore la résolution en énergie (surtout pour les électrons ayant une faible énergie transverse) en exploitant les informations du cluster et de la trace dans un ajustement par maximum de vraisemblance. L'amélioration en résolution est approximativement de 18-20% pour les désintégrations du J/Ψ en di-électrons, et 3% pour Z→ee. Par la suite, la combinaison E-p est appliquée au canal H→ZZ→4l avec électrons dans l'état final permettant d’obtenir un gain modéré sur la distribution de la masse invariante (4-5%). En deuxième lieu, la masse du boson de Higgs et sa largeur sont estimées, en particulier afin de comprendre les effets apportés par l'utilisation de l'algorithme de combinaison trace-cluster. La masse a été calculée en se servant d'un ajustement à deux dimensions appliqué sur la masse invariante m4l et un score de discrimination du signal contre le bruit de fond ZZ*. Cette discrimination est obtenue en exploitant les corrélations angulaires dont les distributions sont sensibles au spin et à la parité du boson de Higgs. L’étude sur la largeur du boson est ensuite détaillée : les résultats sont basés sur une approche qui vise à contraindre cette largeur en analysant la région de haute masse m4l où le boson de Higgs se comporte comme un propagateur. La section efficace au pic de la résonance (« on-shell ») dépend de la largeur totale du boson de Higgs, ce qui n’est pas le cas pour la production dans la région de haute masse (« off-shell »). Par conséquent, des limites indirectes sur la largeur peuvent être déterminées en combinant les régions « on-shell » et « off-shell ». Une limite à 6.7 fois la largeur Higgs ΓSMH est obtenue via le canal 4l. En combinant la mesure « on-shell » avec tous les canaux de désintégration étudiés (notamment ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν), les résultats aboutissent à une limite observée (attendue) sur la largeur totale de 22.7 (33.0) MeV. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée à l'analyse sur la largeur du boson de Higgs en quatre leptons à haute (High-Luminosity LHC) luminosité intégrée (respectivement 300 fb⁻¹ et 3000 fb⁻¹) : il s’agit d’une étude extrapolant à √s =14 TeV les techniques utilisées pour l’analyse à 8 TeV (Run 1). / The theme of the analyses presented in this Thesis is the measurement of the Higgs boson properties in the H→ZZ→4l decay channel with the ATLAS experiment at the LHC. A detailed overview on the electron calibration process is first presented. In this regard, the track-cluster combination algorithm is found to improve the energy resolution of low ET electrons by exploiting both track and cluster information into a maximum likelihood fit. The improvement in resolution is approximately 18-20% for J/Ψ dielectron decays, and of the order of 3% for Z→ee events. In addition, the E-p combination algorithm has also been applied to the H→ZZ→4l channel with electrons in the final state resulting in a non-negligible gain on the invariant mass distribution (4-5%). Secondly, the Higgs mass and its total width are evaluated in the H→ZZ→4l channel. The Higgs mass is measured in the 4l decay channel with particular interest on the beneficial effects brought by the improved electron calibration and the track-cluster combination. The mass on the full 2011 and 2012 datasets is worked out with a 2-dimensional fit on the invariant mass of the 4 lepton final state, m4l, and on a boosted decision tree (BDT)-based output conceived against the main ZZ irreducible background and constructed on variables that are sensitive to the Higgs boson spin-parity state. Regarding the Higgs width, results are based on a relatively recent approach aimed at indirectly constraining the Higgs boson width by exploiting the m4l high-mass region where the Higgs boson acts as a propagator. The Higgs production cross section in the on-shell m4l region, where the Higgs boson is a resonance, depends on the total Higgs width, whereas this is not the case for the high mass m4l (off-shell). Limits on the Higgs width can be therefore set when merging the off-shell results with the on-shell ones. A limit of ∼ 6.7 times ΓSMH is obtained in the four lepton channel. Secondly, by combining with the on-shell measurement and using all the decay channels in the analysis, i.e. ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν, the results lead to an observed (expected) 95% C.L. upper limit on the Higgs boson total width of 22.7 (33.0) MeV (4.2 MeV is the Standard Model predicted Higgs width at mH=125 GeV).The last section of the thesis is devoted to the evaluation of the Higgs width at √s=14 TeV in the high luminosity scenario (High Luminosity LHC), 300 fb⁻¹ and 3000 fb⁻¹, by employing the same techniques exploited in the previous Run 1 analysis at √s=8 TeV.

NIL

En juillet 2012, le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs qui est la dernière particule manquante du Modèle Standard (MS). Le boson de Higgs a été observé dans différents canaux. La mesure précise de ses propriétés est maintenant très importante pour rechercher des déviations par rapport au SM. Cette thèse présente une recherche du boson de Higgs produit en association avec une paire de quarks top et se désintégrant en une paire de b quark, le canal ttH(H → bb) , en utilisant les données de collisions proton-proton à √s = 13 TeV, collectées avec le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Ce document détaille en particulier la reconstruction du systéme ttH et la séparation du signal du bruit de fond principal tt + jets. Des études récentes montrent qu'il existe une fraction importante du bruit de fond ttbb avec des jets contenant deux hadrons b. Un nouvel algorithme a été développé pour séparer ces jets des jets contenant un seul b-hadron. La description de cet outil est présenté dans cette thèse. / In July 2012, CERN announced the discovery of the Higgs boson, the last missing piece of the Standard Model (SM). The Higgs boson was observed in different channels. Precise measurement of its properties is now very important to investigate for possible deviations from the SM. This thesis presents a search for the Higgs boson produced in association with top quarks and decaying to a b quark pair, the ttH(H→bb) channel, using proton-proton collisions at √s = 13 TeV, collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. This document details in particular the full reconstruction of the ttH(H→bb) system and the discrimination between signal and the main background, tt+jets. The ttbb is a subset of the tt+jets backgrounds recent studies show that there is a large fraction of ttbb events with jets containing two b-hadrons. A new algorithm has been developed to discriminate such jets from single b-hadrons jets. The description of this tool is presented in this thesis.

This work presents a study of the discovery potential for the neutral supersymmetric Higgs bosons h/A/H decaying to tau pairs with the ATLAS experiment at the LHC. The study is based on Monte Carlo samples which are scaled to state-of-the-art cross sections. The analyses are designed assuming an integrated luminosity of 30 1/fb and a center-of-mass energy of sqrt(s) = 14 TeV. The results are interpreted in the mmax h benchmark scenario. Two final states are analyzed: The dileptonic channel where the two tau leptons decay to electrons or muons and the lepton-hadron channel where one tau decays to an electron or muon and the other tau decays to hadrons. The study of the dilepton channel is based completely on the detailed ATLAS simulation, the analysis of the lepton-hadron channel is based on the fast simulation. The collinear approximation is used to reconstruct the Higgs boson mass and its performance is studied. Cuts are optimized in order to discriminate the signal from background and to maximize the discovery potential given a certain Higgs boson mass hypothesis. In the lepton-hadron channel the selection is split into two analyses depending on the number of identified b-jets. Procedures to estimate the dominant backgrounds from data are studied. The shape and normalization of the Z to tautau background are estimated from Z to leptonlepton control regions. The ttbar contributions to the signal regions are estimated from ttbar control regions. The individual analyses are combined and sensitivity predictions are made depending on the Higgs boson mass mA and the coupling parameter tanβ. The light neutral MSSM Higgs bosons with mA = 150 GeV can be discovered when at least tanbeta = 11 is realized in nature. The heavy neutral MSSM Higgs bosons with mA = 800 GeV can be discovered for tanbeta ≥ 44. However, due to the large width of the reconstructed Higgs boson mass and the mass degeneration, only the sum of at least two of the three Higgs boson signals will be visible.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 bestätigt das Standardmodell als die erfolgreichste Theorie, die die grundlegenden Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreibt. Eine der wichtigen Eigenschaften des Higgs-Bosons ist seine Yukawa-Kopplung an das Top-Quark, die aufgrund der hohen Masse des Quarks im Standardmodell am stärksten ist. Diese Arbeit berichtet über eine Messung der Top-Yukawa-Kopplung mit Daten, die vom ATLAS-Detektor von 2015 bis 2018 bei einem Massenschwerpunkt von 13 TeV aufgezeichnet wurden. Die Kopplung wird in ttH(bb)-Ereignissen untersucht, einem Endzustand, der die Zerfälls-produkte von zwei Top-Quarks enthält und in dem zusätzlich ein Higgs-Boson emittiert wird, welches in Bottom-Quark-Paar zerfällt. Dieser Zerfallskanal des Higgs-Bosons hat das größte Verzweigungsverhältnis, wird jedoch durch die Beschreibung des dominanten Untergrundprozesses ttbb, ein Top-Quark-Paar mit zwei zusätzlichen b-Quarks im Endzustand systematisch beschränkt. Die Messung nutzt die Fähigkeit des ATLAS-Detektors, Jets von einem b-Quark zu identifizieren, um Analysebereiche mit verschiedenen Zusammensetzungen von Signal und Untergrund zu konstruieren. Um das Signal weiter zu separieren, wird eine Reihe von multivariaten Algorithmen verwendet und der ttH-Prozess wird unter Verwendung eines Profile-Likelihood-Fits extrahiert. Die Ergebnisse werden für den Kanal mit einem einzelnen Lepton im Endzustand und für eine Kombination mit dem Dilepton-Kanal gezeigt. Die Untergrundgenauigkeit wird im Detail untersucht, wobei große Fehlmodellierungen festgestellt werden. Das gemessene Verhältnis der ttH-Produktion zur Standardmodell-Vorhersage beträgt mu(ttH) = 0,84+0,45- 0,39 (syst.) +-0,21 (stat.). Das Ergebnis stimmt mit der Vorhersage des Standardmodells überein und entspricht einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1,9 sigma (2,3 sigma), eine Verbesserung gegenüber der vorherigen ATLAS-Messung, bei der eine Signifikanz von 1,4sigma (1,6 sigma) ermittelt wurden. / The discovery of the Higgs Boson in 2012 confirms the Standard Model as the most successful theory describing the fundamental interactions of elemental particles. One of the important properties of the Higgs boson is its Yukawa coupling to the top quark, which in the Standard Model is the strongest due to the high mass of the quark. This thesis reports on a measurement of the top-Yukawa coupling with data collected by the ATLAS detector from 2015 to 2018 at 13 TeV center of mass energy. The coupling is studied in ttH(bb) events, a final state containing decay products of two top quarks with additional emission of a Higgs boson, where the Higgs decays into a pair of bottom quarks. This decay channel of the Higgs Boson has the largest branching ratio, but is systematically limited by the description of the dominant background process ttbb, a tt with additional two b quarks in the final state. The measurement takes advantage of the ability of the ATLAS detector to identify jets coming from a b quarks to construct analysis regions with various compositions of the signal and the background. To further separate the signal, a series of multivariate algorithms is employed and the ttH process is then extracted using a profile likelihood fit. The results are shown for the channel with a single lepton in the final state and for a combination with the dilepton channel. The background performance is studied in detail, where large mis-modeling is found. The measured ratio of the ttH production compared to the Standard Model prediction is found to be mu(ttH) = 0.84 +0.45 -0.39 (syst.) +-0.21 (stat.). The result is in agreement with the Standard Model prediction and corresponds to an observed (expected) significance of 1.9 sigma (2.3 sigma), an improvement compared to the previous ATLAS measurement which reported 1.4 sigma (1.6 sigma).

This thesis presents an analysis of misidentified leptons in the Higgs boson decaychannel H → W W ∗ → lνlν. Misidentified leptons, resulting from jets misidentifiedas leptons, mimic the signal of a Higgs boson decay, resulting in a backgroundcontribution to the signal. The analysis is performed on proton-proton collisions ata center-of-mass energy of 13.6 TeV recorded by the ATLAS experiment at CERN’sLarge Hadron Collider. The estimation of misidentified leptons is done using theso-called Fake Factor method, which is used to assess the contributed backgroundwith misidentified leptons in the signal region. The Fake Factor values increasewith increasing momenta for misidentified electrons while it remains constant formisidentified muons. An analysis of the impact parameters d0 and z0 show thatthe accuracy of the Monte Carlo simulation to correctly predict the contribution ofmisidentified leptons from heavy quarks is high. / Denna avhandling presenterar en analys av felaktigt identifierade leptoner i Higgsbosonens sönderfallskanal H → W W ∗ → lνlν. Felaktigt identifierade leptoner frånhadroner imiterar signalen av ett sönderfall från en Higgs boson, vilket resulterar ibakgrund till signalen. Analysen utförs på proton-proton kollisioner med energier på13.6 TeV som samlats in av ATLAS-experimentet vid CERNs Large Hadron Collider.Denna avhandling fokuserar främst på uppskattningen av felaktigt identifieradeleptoner genom användningen av Fake Factor-metoden, vilket används för att bedömaden bidragande bakgrunden med felidentifierade leptoner i signalregionen. Värdenaför Fake Factors ökar med ökande rörelsemängd för felidentifierade elektroner medanför det förblir konstant för felidentifierade muoner. En analys av ”impact parameters”d0 och z0 visar att Monte Carlo-simuleringens noggrannhet att uppskatta antaletfelidentifierade leptoner från tunga kvarkar är hög.