Estágio realizado no CERN, Suiça e orientado pelo Eng.º Ronny Billen e Chris Roderick / Tese de mestrado integrado. Engenharia Informátca e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

A search for supersymmetry is presented based on proton-proton collision events containing identified hadronically decaying top quarks (i.e., events with no identified leptons), and an imbalance EmissT in transverse momentum. The data were collected with the Compact Muon Solenoid (CMS) detector at the CERN Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 35.9 fb-1. The 84 exclusive search regions are defined in terms of the multiplicity of bottom quark jet and top quark candidates, the missing energy, the scalar sum of jet transverse momenta HT, and the transverse mass variable sensitive to the pair production of heavy particles, each of which decays into an invisible particle MT2. A novel and robust top quark reconstruction algorithm which is based on multivariate approach and is capable of identifying top quarks in the wide spectrum of top quark transverse momentum is developed. Methods in the modeling of events arising from quantum chromodynamics and electroweak boson production, which are major backgrounds in searches for new physics at the LHC, are also presented. No statistically significant excess of events is observed relative to the expectation from the standard model. Discussion of the non-excluded regions of the model parameter space is given. Lower limits on the masses of supersymmetric particles are determined at 95% confidence level in the context of simplified models with top quark production. For a model with direct top squark pair production followed by the decay of each top squark to a top quark and a neutralino, top squark masses up to 1020 GeV and neutralino masses up to 430 GeV are excluded. For a model with pair production of gluinos followed by the decay of each gluino to a top quark-antiquark pair and a neutralino, gluino masses up to 2040 GeV and neutralino masses up to 1150 GeV are excluded. These limits extend previous results obtained with 8 TeV data and 2.3 fb-1 13 TeV data.

The "Large Hadron Collider" (LHC) is currently the most powerful particle accelerator. It provides particle collisions at a center of mass energy in the Tera-electronvolt range, which had never been reached in a laboratory before. Thereby a new era in high energy particle physics has began. Now it is possible to test one of the most precise theories in physics, the Standard Model of particle physics, at these high energies. The purpose is particularly served by four large experiments installed at the LHC, namely "A Toroidal LHC ApparatuS" (ATLAS), the "Compact-Muon-Solenoid" (CMS), the "Large Hadron Collider beauty" (LHCb) and "A Large Ion Collider Experiment" (ALICE). Besides exploring the high energy behavior of the well-established portions of the Standard Model, one of the main objectives is to find the Higgs boson included in the model, but not discovered by any preceding effort. It is of tremendous importance since fermions and heavy electroweak gauge bosons acquire mass because of this boson. Although the success of the Standard Model in describing nature is already undisputed, there are some flaws due to observations inexplicable within this theory only. Therefore searches for physics beyond the Standard Model are promoted at the LHC experiments as well. In order to achieve the defined goals, crucial aspects are firstly precise measurements, to verify Standard Model predictions in detail, and secondly an evaluation of as much information as accessible by the detectors, to recognize new phenomena as soon as possible for subsequent optimizations. Both challenges are only possible with a superior understanding of the detectors. An inevitable contribution to attain this knowledge is a realistic simulation, partially requiring new implementation techniques to describe the very complex instrumentation. The research presented here is performed under the patronage of the ATLAS collaboration with a special focus on measurements done with muon spectrometer. Thus a first central issue is the performance of the spectrometer in terms of physics objects that are recognized by the device, the compatibility of data and the existing simulation as well as its improvement and finally the extension of the acceptance region. Once the excellent behavior and comprehension of the muon spectrometer is demonstrated, a second part addresses one physics use case of reconstructed muons. The electroweak force is part of the Standard Model and causes the interaction of heavy electroweak gauge bosons with fermions as well as their self-interaction. In proton-proton collisions such gauge bosons are produced. However, they decay immediately into a pair of fermions. In case of the Z boson, which is one of the gauge bosons, oppositely charged fermions of the same generation, including muons, emerge. The various decay modes are determined precisely at particle accelerators other than the LHC. However, the associated production of two Z bosons is measured less exactly at those facilities because of a very low cross section. The corresponding results acquired with the ATLAS experiment exceed all previous measurements in terms of statistics and accuracy. They are reported in this thesis as obtained from the observation of events with four charged leptons. The enhancement of the signal yield based on the extension of the muon spectrometer acceptance is especially emphasized as well as alternative methods to estimate background events. Furthermore, the impact on the probing of couplings of three Z bosons and intersection with the search for the Standard Model Higgs boson are pointed out. / Der "Large Hadron Collider" (LHC) ist der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger unserer Tage. Der Ringbeschleuniger erzeugt Teilchenkollisionen bei einer nie zuvor in einem Labor erreichten Schwerpunktenergie im Bereich von Teraelektronenvolt. Damit hat eine neue Ära in der Hochenergie-Teilchenphysik begonnen, in der eine der präzisesten Theorien der Physik, das Standardmodell der Teilchenphysik, bei diesen hohen Energien überprüft werden kann. Diesem Zweck dienen insbesondere die vier großen Experimente, "A Toroidal LHC ApparatuS" (ATLAS), "Compact-Muon-Solenoid" (CMS), "Large Hadron Collider beauty" (LHCb) und "A Large Ion Collider Experiment" (ALICE), welche am LHC aufgebaut sind. Neben der Erkundung des Hochenergieverhaltens der etablierten Bestandteile des Standardmodells, ist es ein Hauptanliegen das in dem Modell enthaltene Higgs Boson zu finden, welches bei allen bisherigen Bemühungen nicht nachgewiesen werden konnte. Dem Boson kommt eine wichtige Rolle zu, denn es erlaubt eine Erklärung der Massen von Fermionen und von schweren, elektroschwachen Eichbosonen. Obgleich der Erfolg des Standardmodells in seiner Beschreibung der Natur unumstritten ist, gibt es Schwachpunkte aufgrund von Beobachtungen, die die Existenz bislang unentdeckter Teilchen und Wechselwirkungen andeuten. Aus diesem Grund werden zudem Suchen nach Physik jenseits des Standardmodells von den LHC Experimenten betrieben. Um die ausgewiesenen Ziele zu erreichen, sind wesentliche Aspekte zum einen Präzisionsmessungen, um die Vorhersagen des Standardmodells eingehend zu testen, und zum anderen eine Auswertung aller mit den Detektoren zugänglichen Informationen, um Phänomene neuer Physik früh zu erkennen und Analysen daraufhin zu optimieren. Beide Herausforderungen gehen einher mit einem ausgezeichneten Verständnis der Detektoren. Einen unumgänglichen Beitrag dieses Wissen zu erlangen leistet eine realitätsgetreue Simulation, die teilweise neuer Techniken der Implementierung bedarf, um die komplexen Messanlagen zu beschreiben. Die hier präsentierte Forschungsarbeit wurde im Rahmen der ATLAS Kollaboration durchgeführt, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf Messungen des Myon-Spektrometers liegt. Daher ist ein erstes zentrales Thema die Leistungsfähigkeit des Spektrometers hinsichtlich der von ihm identifizierten physikalischen Objekte, die Verträglichkeit aufgenommener Daten mit der existierenden Simulation sowie deren Verbesserung und schließlich die Erweiterung des Akzeptanzbereichs. Nachdem das exzellente Verhalten und Verständnis des Myon-Spektrometers demonstriert ist, befasst sich ein zweiter Teil mit einem physikalischen Anwendungsbereich gefundener Myonen. Die elektroschwache Kraft ist Teil des Standardmodells und verursacht die Wechselwirkung der schweren, elektroschwachen Eichbosonen mit Fermionen sowie ihre Selbstwechselwirkung. In Proton-Proton Kollisionen werden solche Bosonen produziert, die jedoch sofort wieder in ein Fermionen-Paar zerfallen. Im Falle des Z Bosons, welches solch ein Eichboson ist, entstehen entgegengesetzt geladene oder neutrale Fermionen der selben Generation, darunter auch Myonen. Die verschiedenen Zerfallsmodi sind bereits an anderen Beschleunigern als dem LHC bestimmt worden. Die gleichzeitige Produktion zweier Z Bosonen wurde jedoch aufgrund des sehr kleinen Wirkungsquerschnittes weniger exakt an diesen Einrichtungen gemessen. Die entsprechenden, mit dem ATLAS Experiment gewonnenen Resultate, übersteigen alle vorherigen Messungen hinsichtlich ihrer Statistik und Genauigkeit. Wie sie aus beobachteten Ereignissen mit vier geladenen Leptonen gewonnen werden, ist in dieser Arbeit ausgeführt. Besonders betont wird die gesteigerte Signalaufnahme durch die Erweiterung des Akzeptanzbereichs des Myon-Spektrometers sowie alternative Methoden zur Abschätzung von Untergrundereignissen. Außerdem werden Auswirkungen auf die Erforschung von Kopplungen dreier Z Bosonen sowie Überschneidungen mit der Suche nach dem Higgs Boson des Standardmodells erläutert.

La matière nucléaire classique se caractérise par des densités d'énergie de l'ordre de " = 0,17 GeV/fm3. Pour des conditions critiques en densité d'énergie 5 -10 " ou en température de 150 - 200 MeV, la chromodynamique quantique (QCD) sur réseau prédit une transition de phase entre la matière nucléaire classique et un nouvel état de la matière : le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) dans lequel les quarks et les gluons seraient déconfinés. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes permettent de créer des conditions thermodynamiques, i.e. un milieu dense et chaud, très favorable à la formation du PQG. Le LHC offre la possibilité de faire des collisions proton-proton et des collisions d'ions lourds à des énergies de plusieurs TeV par nucléon. Les énergies disponibles permettront de tester expérimentalement différents formalismes théoriques de la QCD développés afin de décrire les collisions d'ions lourds dans la limite des hautes énergies. La compréhension des conditions initiales de la collision est obligatoire afin de comprendre l'évolution du système vers un état de PQG. L'un des formalismes les plus discutés depuis ces dernières années qui décrit ces conditions initiales est le Color Glass Condensate (CGC). Il prédit la saturation de la densité partonique au sein des noyaux dans le domaine des petites valeurs de Bjorken-x correspondant à de grandes pseudorapidités. ALICE est l'une des expériences du LHC consacrée à l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes et en particulier à l'analyse des propriétés du PQG. Une des signatures possibles de la création du PQG est la suppression des taux de production des quarkonia (J/ , ) par écrantage de couleur dans un milieu déconfiné. Le spectromètre à muons de l'expérience ALICE permettra de mesurer les taux de production des quarkonia via leur canal de désintégration muonique dans un domaine de pseudorapidité -4 < < -2,5. Les effets de saturation, plus importants à grande pseudorapidité, font du spectromètre à muons d'ALICE un détecteur tout particulièrement approprié pour cette étude. La première partie de ce travail porte sur l'installation et la préparation du spectromètre à muons d'ALICE en vue des premières prises des données. Les tests de l'électronique frontale et des chambres du système de trajectographie du spectromètre à muons conduisent à la conclusion que la station 1 du spectromètre à muons est prête à enregistrer les premières données physiques. La seconde partie présente l'étude du CGC par deux voies expérimentales : la production des saveurs lourdes (charme et beauté) et la multiplicité des particules chargées. Nous montrons que l'état final de la collision est affecté par l'existence du CGC dans l'état initial. Ce travail mène à la conclusion que le LHC permettra une étude de cette nouvelle physique jamais explorée auparavant.

Supersymmetry is an attractive extension of the standard model of particle physics. It associates to every bosonic degree of freedom a fermionic one and vice versa. Supersymmetry unifies the coupling constants of the electromagnetic, weak and strong forces at a high scale and provides a candidate for the elusive dark matter. Supersymmetry could be discovered at the LHC, the proton--proton collider at CERN which has started operations in 2008. The LHC is foreseen to have a center--of--mass energy of 14~TeV, opening up a new mass range to be explored to search for supersymmetric particles with the ATLAS and CMS experiments. The development and production of electronics for these detectors has been a challenge, e.g. for the readout board for the electromagnetic calorimeter. Reconstructing the physics events with the best precision, in particular the reconstruction and identification of electrons and photons in the large QCD background has been prepared in extensive test beam studies and Monte Carlo simulations. If the Higgs boson and supersymmetry are discovered, the properties of the (s)particles such as the masses, branching ratios must be measured precisely, either at the LHC or at a future e+e- linear collider. The SFitter project aims to determine the underlying theoretical model parameters from the correlated experimental measurements including theoretical errors. The methods are applied to the extraction of the fundamental parameters of supersymmetry as well the measurement of the Higgs boson couplings at the LHC. The extrapolation of the supersymmetric parameters from the weak scale to the Grand Unification Scale could provide the basis towards the inclusion of gravity.

Cette thèse a comme but la préparation à la recherche du boson de Higgs dans le canal diphoton au LHC, avec le détecteur ATLAS. <br /><br />Les problématiques qui sont étudiées s'articulent autour de la reconstruction du vertex H en deux photons, avec l'aide du calorimètre électromagnétique et du détecteur interne, et de la résolution en masse invariante diphoton.<br /><br />Des simulations différentes du détecteur ATLAS et les effets de la quantité de matière et des désalignements ont été étudiés. Des problématiques de calcul de la signification statistique ont également été discutées et le potentiel de découverte pour une basse luminosité integrée a été évalué.<br /><br />Une partie de la thèse se place dans le cadre des données CSC qui utilisent la plus récente simulation du détecteur ainsi que des méthodes de reconstruction mises au point et qui servent à effectuer une mise à jour de l'analyse effectuée par ATLAS. Toutes les étapes du traîtement du signal et du bruit de fond ont été discutées. Finalement on s'attend à voir un signal de 3 sigma avec une luminosité integrée de 10 fb-1

Dans les prochaines années, le complexe d'accélérateur du CERN va subir une profonde mise a jour dont le but est une augmentation de la luminosité du LHC. Le projet LIU ( LHC Injectors Upgrade) coordonne les mises a jour des différentes parties de la chaine d'injection. Le projet LINAC4 s'inscrit dans ce cadre et sera la première étape de la mise à jour. Cette thèse présente les différentes études conduites lors du développement de l'instrumentation nécessaire à la mesure du faisceau. Ce travail est limité aux instruments permettant la mesure des profils transverses (taille et emittance). La thèse se divise en quatre parties. La première partie, composée des trois premiers chapitres, est vue comme une partie d'introduction où il sera présenté le projet LINAC4 ainsi que les différents aperçus théoriques nécessaires à la conception de types d'instruments requis. Le chapitre 2 décrit brièvement la dynamique des faisceaux dans un accélérateur et présente également des rappels théoriques sur l'effet de charge d'espace induit par le faisceau. Le chapitre 3 est un rappel sur les interactions entre particules et matière. La seconde partie, comprenant les chapitres 4 a 6, décrit les différentes études menées lors de la conception des SEM grid, wire scanner et emittance mètre. Le lecteur trouvera dans cette partie une description des instruments mentionnés et qui seront déployés lors de la phase de test et pendant la phase d'opération du LINAC4. Le chapitre 4 s'attarde sur les effet de charge thermique induite sur les fils des SEM grid et wire beam scanner par le faisceau et leur conséquence sur la survit de ces fils. Le LINAC4 va produire un faisceau intense d'ion H-, avec un taille de faisceau de l'ordre du millimètre, cette densité de particule va, a basse énergie, induire un grand dépôt d'énergie dans la matière. La hausse de température qui en résulte peut dépasser les limites thermomécaniques des matériaux usuels employés pour ce type de mesure. Cette étude permet de déterminer le matériau idéal pour le fil et d'imposer certaines restrictions sur l'utilisation des différents moniteurs de profils. Au sein de ce chapitre il est aussi présente une estimation des signaux obtenus pour des géométries et des matériaux de fils différents. Les chapitres 5 et 6 sont une études de l'emittance mètre a moyenne énergie du LINAC4 (3 et 12 MeV), le système employé est un système dit "Slit & grid", ou une fente permet de sélectionner une faible partie du faisceau, le reste étant absorbé, le profil du faisceau non perturbé est mesuré par une grille. Le chapitre 5 présente une _étude sur les erreurs systématiques des mesures d'_emittance dû a la diffusion multiple et _a l'effet de charge d'espace du faisceau, ces deux phénomènes constituant les principale erreurs conduisant a une mauvaise reconstruction de l'emittance mesurée. le chapitre 6 quant a lui est dédié a l'_étude mécanique de la fente de l'emittance mètre. Comme pour les fils des moniteurs de profils, la charge thermique sur la partie supportant la slit est importante. Ce chapitre décrit les études effectuées pour le choix des matériaux et de la géométrie des pièces mécaniques. La troisième partie de la thèse, qui se résume au chapitre 7, est consacrée aux différents résultats expérimentaux obtenus dans la phase de test de la source de particule du LINAC4 ainsi que ceux obtenus lors d'une visite d'étude a SNS. Une partie de se chapitre décrira la mise au point de l'instrumentation aux banc test de la source, une autre présente l'effet de la diffusion multiple sur les mesures d'emittance a SNS et propose une mise a jour de l instrument. Le chapitre 8 constitue la dernière partie de cette thèse. Dans ce dernier chapitre, le lecteur pourra lire une étude préliminaire sur l'utilisation d'un faisceau laser pour la mesure d'emittance et de profil aux hautes énergies du linac.

Le LHC est un collisionneur de protons, situé 100 mètres sous la frontière franco-suisse, conçu pour fonctionner à sqrt(s) = 14 TeV. Les premières collisions à sqrt(s) = 7 TeV ont eu lieu au début de l'année 2010, ouvrant la chasse aux nouvelles particules telles le boson de Higgs, les partenaires supersymétriques... Ces premières données ont permis aussi de faire des mesures de précisions afin de vérifier le fonctionnement du détecteur et de contraindre certains paramètre du Modèle Standard. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Le travail présenté dans ce manuscrit s'articule en deux parties distinctes dont le but est de contraindre d'éventuels biais et sources d'erreurs systématiques pour permettre une première mesure précise de la masse du boson W au LHC. D'un point de vue technique, une analyse consistant à étudier les variations de température de l'argon liquide, dans lequel sont immergés les calorimètres a été menée afin de comprendre leur origine et de limiter leur contribution à l'incertitude sur l'échelle d'énergie des électrons. D'autre part, le travail a été focalisé sur les effets de polarisation, en développant et proposant trois mesures originales : la quantification de leur influence sur la détermination directe de MW au LHC, les mesures de fractions d'hélicité dans les données 2010 et une mesure de l'asymétrie de charge permettant de découpler les effets de PDFs des effets de polarisation, appliquée aux données 2010.

Ce travail présente les mesures de section efficace de production de photons isoles dans les collisions proton-proton avec l'expérience ATLAS au LHC, a une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les résultats sont d'abord obtenus pour une luminosité intégrée de 880 nb−1, puis dans un deuxième temps pour une luminosité de 36 pb−1. Les mesures faites avec 880 nb−1 et 36 pb−1 couvrent, respectivement, les intervalles en énergie transverse 15 ≤ E < 100 GeV et 45 ≤ E < 400 GeV. Les résultats sont compares aux prédictions de la chromodynamique quantique perturbative à l'ordre NLO. Les premières études pour la recherche du Higgs dans le canal de désintégration en deux photons sont également présentées pour 38 pb−1 de données collectées par l'expérience ATLAS en 2010 (et plus récemment pour 210 pb−1 accumules en 2011). Les limites d'exclusion observées sont citées en fonction d'une masse de Higgs se situant dans l'intervalle 110-140 GeV.

Cette thèse présente l'état de la recherche de particules supersymétriques dans le cadre spécifique du modèle mSUGRA au LHC avec le détecteur Atlas. Elle est basée sur les données prises entre 2010 et 2011 et présente aussi certains aspects du travail réalisé en amont par la collaboration pour obtenir ces résultats.