Universiẗat, Diss., 2000--München.

Univ., Diss., 2005--Frankfurt (Main)

Cette thèse porte sur l'étude de la production de paire de dibosons WZ au en collisions proton-proton au LHC avec le détecteur ATLAS.La première mesure de la polarisation des bosons vecteurs W et Z lors de leur production par paire a été effectuée et la section efficace de production de dibosons WZ mesurée.Les données des collisions des protons au LHC à une énergie de 13 TeV enregistrées avec le détecteur ATLAS en 2015 et 2016 avec une luminosité intégré de 36.1fb-1 ont été analysées.L'analyse prends en compte seulement des désintégrations des bosons W et Z en électrons et muons.Avec la quantité des données disponibles, la précision de la mesure n'est plus déterminée par l'incertitude statistique. Une précision de 4.4 % a été obtenue, qui est comparable à la précision obtenue par une mesure antérieures avec les données d'ATLAS à une énergie de collision de 8 TeV.La précision de la mesure est déterminé par l'estimation du bruit du fond, du taux d'empillement et de l’efficacité d'identification des électrons et muons.Dans le cadre de cette thèse, des études détaillées ont été menées sur l'estimation de l’efficacité d'identification des électrons, sur l'optimisation de la sélection des leptons dans le cadre de l'analyse WZ et sur l'estimation du bruit du fond réductible.L’efficacité d'identification des électrons a été déterminée avec une méthode dite de Tag et Probe utilisant la désintégration de bosons Z en deux électrons.Les propriétés d'isolation des électrons ont été utilisées pour discriminer le signal des électrons du bruit du fond.L'accord de la mesure de l’efficacité d'identification avec la simulation a été étudié et des facteurs de correction ont été estimés.Ces facteurs de correction ont été mis à la disponibilité de la collaboration ATLAS.La sélection des leptons dans le cadre de la mesure WZ a été optimisée pour rejeter le bruit de fond réductible. Le bruit du fond réductible restant a été estimé avec une méthode dite matricielle qui s'appuie sur les données.La valeur de la section efficace mesurée est supérieure de 8 % par rapport a la valeur prédite par les calculs théoriques les plus récents ayant une précision à l'ordre NNLO, mais reste néanmoins compatible avec ces prédictions.Une mesure de la polarisation dans les événement dibosons est effectuée par la première fois.Les distributions angulaires des produits de désintégration sont particulièrement sensible aux effets de la polarisation.Les fractions de bosons W et Z produits avec un état de polarisation longitudinale sont mesurées pour la première fois, à une valeur de 25 % avec une incertitude de 7 et 4 %, respectivement.Cela représente une précision de l'ordre de 15 %, dominée par l'incertitude statistique. / Within the scope of this thesis, the cross section of the associate production of a W and a Z boson is presented and the polarization will measured for the first time in a diboson channel.Proton-proton collision data from the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2015 and 2016 with an integrated luminosity of 36.1fb-1 have been analyzed.In the measurement, only fully leptonic decays to either electrons or muons are considered.With the larger dataset of proton-proton collisions available, the measurement is for the first time not any more dominated by statistical uncertainties.On the cross-section measurement, a precision of 4.4% was obtained, this is competitive to the precision obtained in the measurement at a collision center-of-mass energy of 8 TeV.The main systematic uncertainties issue from the background estimation, the muon and the electron identification efficiency.Within the scope of this thesis, detailed studies on the electron identification efficiency, the optimization of the lepton selection in the WZ measurement and on the estimation of the reducible background in WZ events were performed.The electron identification efficiency was calculated using a Tag and Probe method on Z decays to electrons.The candidate electron isolation is used to discriminate the signal against the background.The agreement to the modelling of the electron identification efficiency in simulation was studied and correction factors were derived which were provided to the ATLAS collaboration.The lepton selection has been optimized for the rejection of non-prompt leptons in the WZ measurement, the remaining reducible background from these non-prompt events is estimated using the data-driven Matrix Method.The extracted cross section in the fiducial phase space is 8% higher than the prediction available at next-to-next-to leading order but still compatible with the predictionsBoson polarization measurements have been performed on single bosons, however, a measurement has never been done so far in a diboson channel.Angular distributions of the boson decay products have been shown to be particularly sensitive to polarization effects.The polarization is extracted by means of a maximum likelihood fit of templates representing the angular distributions of longitudinal, left- and right-handed transverse polarization to data.A fraction of 25% of longitudinally polarized W and Z bosons with an uncertainty of 7 and 4%, respectively, are measured in the fiducial phase space.A precision on the longitudinal polarization fraction of 15% can be obtained whereas the measurement is dominated by statistical uncertainties.

Le LHC au CERN, qui est le collisionneur le plus puissant au monde, a été construit pour découvrir le boson de Higgs ainsi que des signaux de nouvelle physique. Mais au-delà de ces découvertes, les expériences auprès du LHC ont accumulé (et vont continuer à accumuler) une grande quantité de données qui pourront être utilisées pour accroître notre connaissance de la ChromoDynamique Quantique (QCD). Cette thèse est dans cette dernière ligne, elle contient deux parties qui utilisent des variables de corrélations pour contraindre les différentes entrées non perturbatives. La première partie concerne les contraintes pouvant être mises sur les fonctions de fragmentation (FF) en utilisant des variables de corrélation dans la production de hadron + jet. Les entrées non perturbatives pour les récentes FF ont été extraites des donnée e^+ e^- de LEP. Ces données mettent des contraintes sur les FF à petites valeurs de la variable de fragmentation x (x < 0.7), mais n'en donnent pas pour des grandes valeurs de x. Pour cette raison, les comportements des jeux de FF diffèrent de façon importante pour des grandes valeurs de x. Une analyse à l'approximation au-delà de l'ordre dominant (NLO) des corrélations hadron-jet dans les collisions p-p au LHC a été menée. Nous avons considéré deux cas : la corrélation entre un hadron et le jet de recul, et la corrélation entre un hadron et le jet qui le contient. Ces deux cas donnent des résultats similaires. Nous montrons que la production inclusive de hadrons chargés à l'intérieur d'un jet est une observable discriminante qui permet de différencier les différents jeux de FF disponibles. Nous étudions aussi le cas où l'on utilise des hadrons identifiés (kaons, protons). La deuxième partie concerne l'étude de la production associée de photon + jet de saveur lourde dans les collisions hadroniques au LHC et au Tevatron. Cette section efficace peut être utilisée pour contraindre les densités partoniques de saveurs lourdes dans le proton. Une étude antérieure avait montré qu'il y avait un grand désaccord entre les prédictions théoriques et les données expérimentales dans le cas de la production associée d'un photon et un jet de saveur charmée au Tevatron. Nous présentons trois façons de calculer cette section efficace dépendant de la manière dont est détecté le jet de saveur lourde. La première façon, appelée méthode de la masse invariante, a été utilisée pour retrouver les précédents résultats, la deuxième, appelée algorithme en kt avec saveur, utilise un algorithme de jet avec saveur qui permet de reconstruire des observables qui sont insensibles au domaine infrarouge. La troisième façon, appelée approche FF, utilise des fonctions de fragmentation de partons en hadrons de saveur lourde, la taille du jet est prise en compte à travers l'échelle de factorisation de l'état final. Les prédictions utilisant les trois façons sont données à l'approximation NLO en QCD perturbative. Elles ont été implémentées dans un programme construit à partir de JetPhox. En utilisant l'approche masse invariante, nous retrouvons les résultats précédents. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus en utilisant l'approche algorithme en kt avec saveur. Ces deux méthodes donnent des résultats théoriques qui sont trop bas comparés aux données expérimentales du Tevatron pour une saveur charmée. L'approche FF prédit une section efficace différentielle par rapport à l'impulsion transverse du photon (pt) d'environ 1,8 à 2,7 fois plus grande que celle obtenue en utilisant l'approche masse invariante pour des pt de 80 à 110 GeV au Tevatron. Ce résultat est en bon accord avec les données expérimentales. Des prédictions sont aussi présentées pour l'énergie du LHC utilisant les trois façons de calculer pour une saveur charmée ou belle. / The LHC at CERN, which is the most powerful collider in the world, was designed to search for the Higgs boson and new physics signals. But besides these discoveries, the LHC experiments have collected (and will collect) a large amount of data that can be used to improve our knowledge about Quantum ChromoDynamics (QCD). This thesis is in this former line of research, It contains two parts which use correlation variables to constrain non perturbative inputs. The first part concerns the constraints which can be put on fragmentation functions (FFs) using momentum correlation variables in hadron+jet production. The non perturbative inputs for the recent FFs were extracted from the LEP e^+e^- collision data. These LEP data put constraints on the FFs at low fragmentation variable x (x < 0.7), but do not give constraints at larger x. Because of that, the behaviors of the FF-sets at high x differ strongly from one another. A next-to-leading order (NLO) analysis of hadron-jet momentum correlations in p-p collisions at the LHC is carried out. We consider two cases: the correlation between a hadron and an away-side jet, and the correlation between a hadron and the jet to whom the hadron belongs. These two cases give similar results. We show that the inclusive charged hadron momentum distribution inside jets is a very sensitive observable which allows one to disentangle among various fragmentation function sets presently available. Correlations using identified hadrons (kaons, protons) are investigated as well. The second part concerns the study of the associated production of photon + heavy-flavor tagging in hadronic collisions at the Tevatron and the LHC. This cross section is used to constrain the heavy-flavor partonic densities inside the proton. A previous theoretical calculation showed a large discrepancy between the predictions and the experimental measurements for associated production of photon + charm at the Tevatron. We present three ways to compute this cross section depending on how the heavy flavor is tagged in experiments. The first way, called the invariant mass approach, has been used to recover the previous results, the second one, called the kt-flavor algorithm, uses a flavor jet algorithm which leads to infra-red an safe observable. The third way, called FF approach, uses fragmentation functions of partons into heavy-flavor hadrons, the jet size being taken into account in the final state factorization scale. The predictions for the three ways are given in the NLO approximation of perturbative QCD. They have been implemented into a code which has been built from the JetPhox program. By using the invariant mass approach, the results of the previous theoretical calculation have been re-obtained. These results are comparable with the one using kt-flavor algorithm. These two approaches give theoretical predictions which are too low for the charm flavor compared to Tevatron results. The charm hadron FF approach predicts a differential cross section with respect to the photon transverse momentum (pt) about 1.8 -- 2.7 times greater than the one obtained using the invariant mass approach when pt ∼ 80 -- 110 (GeV) at the Tevatron. This result agrees well with the experimental data. Predictions are given at LHC energy using the different ways for charm flavor and bottom flavor.

The Large Hadron Electron Collider (LHeC) is a proposal for a TeV scale, 10^33 cm^−2 s^−1 luminosity electron-proton collider at CERN. In the proposal, an electron accelerator collides a beam of electrons with one of the Large Hadron Collider (LHC) proton beams at one LHC interaction point (IP). At the time of writing, the project has been approved as part of the CERN mid-term plan. The LHeC project is planned for the 2020s, around the time of the High Luminosity LHC (HL-LHC) upgrade. The LHeC thus depends upon the success of the HL-LHC project, which plans to deliver p-p luminosity of L=5×10^34 cm^−2 s^−1. Unique challenges are presented by the LHeC, particularly by the interaction region (IR) and long straight section (LSS), and constraints must be considered from beam, particle and detector physics and engineering. This thesis presents the study and design of a complete collision insertion solution for a ring-ring LHeC. This provides a solution at a conceptual level to the problem of delivering TeV scale e−p collisions at L∼10^33 cm^−2 s^−1 for the first time, with detector coverage within 1 degree of the beam. This high acceptance, high luminosity solution substantially increases the value of the project, allowing high statistics across an unprecedented kinematic range. Further studies are presented into optimising the optical flexibility of the LHC LSSs, and into the effects of fringe fields in the HL-LHC large aperture quadrupoles. Modifications are proposed which maximise LSS flexibility, and fringe effects are found to be significant but manageable.

The Three-Site Higgsless Model is alternative implementation of electroweak symmetry breaking which in the Standard Model is mediated by the Higgs mechanism. The main features of this model is the appearance of two new heavy vector resonances W' and Z' with masses > 380 GeV as well as a set of new heavy fermions (> 1.8 TeV). In this model, unitarity of the amplitudes for the scattering of longitudinal gauge bosons is maintained by the exchange of the W' and Z' up to a scale of ~2 TeV. Consistency with the electroweak precision observables from the LEP / LEP-II experiments implies an exceedingly small coupling of the new vector bosons to the light Standard Model fermions (about 3% of the isospin gauge coupling). In this thesis, the LHC phenomenology of this scenario is explored. To this end, we calculated the couplings and widths of all the new particles and implemented the model into the Monte-Carlo eventgenerator WHIZARD / O'Mega. With this implementation, we simulated the parton-level production of the gauge boson and fermion partners in different channels possibly suitable for their discovery at the LHC. The results are presented together with an introduction to the model and a discussion of its properties. We find that, while the fermiophobic nature of the new heavy gauge bosons does make them intrinsically difficult to observe at a collider, the LHC should be able to establish the existence of both resonances and even give some hints about the properties of their couplings which would be a vital test of the consistency of such a scenario. For the heavy fermions, we find that their large mass is accompanied by relative widths of more than $10\%$, making them ill-suited for a direct discovery at the LHC. Nevertheless, our simulations reveal that there is a part of parameter space where, given enough time, patience and a good understanding of detector and backgrounds, a direct discovery might be possible. / Das "Three-Site Higgsless Model" ist eine alternative Implementation der Elektroschwachen Symmetriebrechung, welche im Standardmodell der Teilchenphysik durch den Higgsmechanismus erfolgt. Die wesentlichen Eigenschaften dieses Modell sind das Auftreten zweier neuer schwerer Vektorresonanzen W' und Z' mit Massen > 380 GeV sowie eines Satzes von schweren (> 1.8 TeV) Fermionen. Die Unitarität der Amplituden für die Streuung longitudinaler Eichbosonen wird in diesem Modell durch den Austausch von der W' und Z' bis zu einer Skala von ~2 TeV sichergestellt. Konsistenz mit den elektroschwachen Präzisionsobservablen aus den LEP / LEP-II Experimenten bedingt eine äußerst kleine Kopplung der neuen Vektorbosonen an die leichten Fermionen des Standardmodells (etwa 3% der Isospin-Eichkopplung). In dieser Doktorarbeit wird die LHC-Phänomenologie dieses Szenarios untersucht. Zu diesem Zwecke wurden die Kopplungen und Breiten aller neuen Teilchen berechnet und das Modell in den Monte-Carlo-Generator WHIZARD / O'Mega implementiert. Diese Implementation wurde verwendet, um die Produktion der Fermion- und Eichbosonpartner auf Partonniveau in verschiedenen Kanälen zu simulieren, welche sich für die Entdeckung am LHC eignen könnten. Die Ergebnisse werden zusammen mit ein Einführung in das Modell sowie einer Diskussion der Modelleigenschaften präsentiert. Obwohl ihre fermiophobe Natur die Entdeckung der schweren Eichbosonen an Teilchenbeschleunigern grundsätzlich erschwert, zeigt sich, daß der LHC die entsprechenden Resonanzen finden kann und sogar einige Rückschlüsse auf die Stärke der fermiophoben Kopplungen (was ein wesentlicher Test der Konsistenz eines solchen Szenarios wäre) zulassen sollte. Bei der Berechnung der Breite der schweren Fermionen stellt sich heraus, daß zu der großen Masse auch relative Breiten von 10% und mehr kommen, so daß diese Teilchen sich eher schlecht für eine direkte Entdeckung am LHC eignen. Trotzdem zeigen die Simulationen daß, hinreichend viel Zeit, Geduld sowie ein gutes Verständnis von Detektor und Hintergrund vorausgesetzt, eine direkte Entdeckung zumindest in einem Teil des Parameterraums möglich ist.

A search for Supersymmetry is presented. The search is done with final states containing jets, missing transverse energy and no leptons, using 4.7 fb-1 of proton-proton collisions at sqrt(s)=7 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The analysis is carried out using new kinematic variables in two distinct signal regions with and without b-jet tagging. No significant excess above the Standard Model background expectation is observed, and limits are set on the Supersymmetry models. The results are interpreted as limits on the minimal supergravity framework, as well as a simplified Supersymmetry model of Gluino pair-production

A search for Supersymmetry is presented. The search is done with final states containing jets, missing transverse energy and no leptons, using 4.7 fb-1 of proton-proton collisions at sqrt(s)=7 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The analysis is carried out using new kinematic variables in two distinct signal regions with and without b-jet tagging. No significant excess above the Standard Model background expectation is observed, and limits are set on the Supersymmetry models. The results are interpreted as limits on the minimal supergravity framework, as well as a simplified Supersymmetry model of Gluino pair-production

A search for new physics in events with an energetic jet and large missing transverse momentum is performed with the ATLAS detector, using 2011 dataset corresponding to 4.7 fb−1 integrated luminosity. A model–independent approach is adopted, making predictions in various kinematic regions sensitive to potentially new physics scenarios. Data–driven background determination methods are developed to obtain robust predictions of the Standard Model expectations of the number of events in each probed kinematic region. No deviation from the Standard Model expectation is observed, and the results are hence interpreted in the context of the ADD scenario of Large Extra Dimensions, and pair production of WIMP dark matter candidates. This results in the world’s tightest constraints on the size of the D-dimensional Planck scale as the fundamental parameter of the ADD theory. The constraints obtained on Dark Matter suppression scale are stronger than those obtained from dedicated direct and indirect dark matter experiments for a large range of WIMP masses. Furthermore, data-driven estimates of various Standard Model processes contributing to the mono-jet final state allows a precise direct measurement of the invisible decay width of the Z boson. This results in a measurement at 5% precision level, comparable to the results of the L3 experiment, and better than all other LEP direct measurements.

A search for new physics in events with an energetic jet and large missing transverse momentum is performed with the ATLAS detector, using 2011 dataset corresponding to 4.7 fb−1 integrated luminosity. A model–independent approach is adopted, making predictions in various kinematic regions sensitive to potentially new physics scenarios. Data–driven background determination methods are developed to obtain robust predictions of the Standard Model expectations of the number of events in each probed kinematic region. No deviation from the Standard Model expectation is observed, and the results are hence interpreted in the context of the ADD scenario of Large Extra Dimensions, and pair production of WIMP dark matter candidates. This results in the world’s tightest constraints on the size of the D-dimensional Planck scale as the fundamental parameter of the ADD theory. The constraints obtained on Dark Matter suppression scale are stronger than those obtained from dedicated direct and indirect dark matter experiments for a large range of WIMP masses. Furthermore, data-driven estimates of various Standard Model processes contributing to the mono-jet final state allows a precise direct measurement of the invisible decay width of the Z boson. This results in a measurement at 5% precision level, comparable to the results of the L3 experiment, and better than all other LEP direct measurements.