In the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, direct searches for the elusive Higgs boson will be conducted, as well as for physics beyond the Standard Model. The charged Higgs boson (H±) is interesting both as a part of the Higgs sector, and as a clear sign of new physics. This thesis focuses on H± searches, with H± production in top-antitop pair events, and in particular the  bW± bH±, H±→τhadν, W±→qq channel. Its potential was investigated  as  part of a larger study of the expected performance of the entire ATLAS experiment. Full simulation of the ATLAS detector and trigger was used, and all dominant systematics considered. It was shown to be the most promising H± discovery channel for mH±<mt. As hadronic τ decays are important for H± searches, their correct identification is critical. Possibilities of improving tau-jet identification in  pile-up and top-antitop pair events were investigated. Redundant or even performance-reducing variables in the default likelihood identification were identified, as were new variables showing discriminatory power. This allows for increased rejection of QCD jets in these environments, and higher robustness of the method. Before any physics studies, a commissioned and well-understood detector is required. The Lorentz angle of the ATLAS Semi-Conductor Tracker (SCT) barrel was measured using 2008 cosmic-ray data. It is an important observable for the performance of several detector aspects. Potential sources of systematics were investigated and evaluated. The Lorentz angle in the SCT barrel was measured as θL = 3.93 ± 0.03(stat) ± 0.10(syst) degrees, agreeing with the model prediction. The Compact Linear Collider (CLIC) is a proposed successor to the LHC. The potential for charged and heavy neutral Higgs bosons at CLIC was investigated, in terms of both discovery and precision measurement of parameters like tanβ or the Higgs masses, up to and beyond 1 TeV, which would be challenging at the LHC

The Standard Model of particle physics successfully describes present collider data. Nevertheless, theoretical and cosmological results call for its extension. A softly broken supersymmetric completion around the TeV scale solves several of the outstanding issues. Supersymmetry requires two Higgs doublets, leading to five physical Higgs states. These include a pair of charged Higgs bosons H±, which are a generic feature of theories with multiple Higgs doublets. Using results from high-energy colliders and flavour physics, constraints are derived on the charged Higgs boson mass and couplings; both for constrained scenarios in the minimal supersymmetric standard model (MSSM) with grand unification, and for general two-Higgs-doublet models. The MSSM results are compared to the projected reach for charged Higgs searches at the Large Hadron Collider (LHC). At the LHC, a light charged Higgs is accessible through top quark decay. Beyond a discovery, it is demonstrated how angular distributions sensitive to top quark spin correlations can be used to determine the structure of the H±tb coupling. The public code 2HDMC, which performs calculations in a general, CP-conserving, two-Higgs-doublet model, is introduced. In parallel to the developments at colliders, the most energetic particles ever recorded are the ultra-high-energy (UHE) cosmic rays. To gain more insight into their origin, new experiments are searching for UHE neutrinos. These searches require detectors of vast volume, which can be achieved by searching for coherent radio pulses arising from the Askaryan effect. The prospects of using a satellite orbiting the Moon to search for neutrino interactions are investigated, and a similar study for an Earth-based radio telescope is presented. In both cases, the method is found competitive for detection of the very highest energy neutrinos considered.

Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.:Kurzfassung v Abstract vii Contents ix 1 Introduction 1 2 Theoretical Framework 3 2.1 The Standard Model of Particle Physics 3 2.1.1 Particles, Fields and Interactions 3 2.1.2 Gauge Theory in a Nutshell 6 2.1.3 Brout-Englert-Higgs Mechanism 9 2.2 Supersymmetry 11 2.2.1 Sources of Supersymmetry Breaking 20 2.2.2 Two Higgs Doublet Model 21 2.2.3 Charged Higgs Boson Production and Decay 22 2.3 Current Status of charged Higgs Boson Searches 24 3 Monte Carlo Simulation 33 3.1 Methodology of Monte Carlo Simulation 33 3.2 Monte Carlo Simulation for Electron to t Mis-identification Analysis 35 3.3 Monte Carlo Simulation for H± Analysis with Data taken 2010 35 3.4 Monte Carlo Simulation for H± Analyses with Data taken 2011 37 4 LHC and the ATLAS Detector 41 4.1 The Large Hadron Collider 41 4.2 The ATLAS Detector 42 4.2.1 Magnet Systems 46 4.2.2 Inner Detector 47 4.2.3 Calorimeter Systems 50 4.2.4 Muon Spectrometer 60 4.2.5 Forward Detectors 61 4.2.6 Trigger and Data Acquisition 63 4.3 Data Taking 67 5 Event Selection and Data-Driven Background Estimation Techniques 73 5.1 Event Cleaning 74 5.2 Trigger for the Charged Higgs Boson Analyses 74 5.2.1 Trigger for the thad+Lepton and tlep+Jets Channels 75 5.2.2 Trigger for the thad+Jets Channel 77 5.3 Physics Object Reconstruction 77 5.3.1 Muons 77 5.3.2 Electrons 77 5.3.3 Jets 78 5.3.4 b-Tagging 79 5.3.5 Hadronically decaying t Leptons 79 5.3.6 Missing Transverse Momentum 79 5.3.7 Removal of Geometric Overlaps between Objects 80 5.4 Selection and Cut Optimisation 80 5.4.1 thad+Lepton Analysis Selection 80 5.4.2 tlep+Jets Analysis Selection 82 5.4.3 thad+Jets Analysis Selection 83 5.5 Background Estimations 84 5.5.1 Measurement of the t Lepton Mis-identification Probability from Electrons 84 5.5.2 Backgrounds with Electrons and Jets Mis-identified as t Leptons 88 5.5.3 Embedding Method 92 5.5.4 Multi-Jet Background 92 5.5.5 Backgrounds with Mis-identified Leptons 93 6 Direct Searches for the Charged Higgs Boson 95 6.1 Analysis of the thad+Lepton Channel 95 6.2 Analysis of the tlep+Jets Channel 95 6.3 Analysis of the thad+Jets Channel 98 6.4 Systematic Uncertainties 101 6.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 101 6.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 103 6.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 103 6.5 Results 107 7 Indirect Search for the Charged Higgs Boson – The Ratio-Method 111 7.1 Ratio-Method: A Re-Analysis of the thad+Lepton Channel 111 7.2 Event Selection 112 7.3 Measured Event Yield Ratios 115 7.4 Systematic Uncertainties 115 7.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 115 7.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 115 7.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 118 7.5 Results 119 7.5.1 Upper Limits obtained from Results of the Ratio-Method 119 7.5.2 Combination of Upper Limits obtained from Direct Searches for Charged Higgs Bosons in the thad+jets final state and the Ratio-Method Results 124 8 Comparison and Discussion of the Results 131 9 Summary and Outlook 137 A Monte Carlo Simulation Samples 141 A.1 Monte Carlo Simulation Samples for 2010 Analyses 141 A.1.1 Monte Carlo Simulation Samples for the Electron to t Lepton Mis-identification Analysis 141 A.1.2 Monte Carlo Simulation Samples for the H± Analysis 143 A.2 Monte Carlo Simulation Samples for 2011 Analyses 147 A.2.1 Monte Carlo Samples for H± Ratio-Method Search Analysis 147 List of Figures 149 List of Tables 153 Bibliography 155 Acknowledgements 179