Pour la deuxième période de prise des données du LHC (Run 2) de 2015 - 2022, une quatrième couche de senseurs pixels a été installée dans le détecteur de l’existence ATLAS sur un tube de faisceau de plus petit diamètre afin d’ajouter de la redondance pour améliorer la reconstruction des trajectoires des particules chargées. Ce détecteur du pixel permettra d’assurer un suivi de la qualité de l’étiquetage des mesons b haute luminosité (b-tagging). Au cours des deux dernières années plusieurs composants ont été produits et assemblés sur des structures de soutien appelées échelles. Au total, 20 échelles ont été construites et qualifiées en cardere d’un procédé d’assurance qualité définie par ATLAS au CERN. Quatorze échelles ont été intégrées sur le tube de faisceau. Ceci constitue la première partie de la thèse dédiée à la partie construction du détecteur. La deuxième partie est consacrée à la recherche de boson de Higgs issu de collisions proton proton l’énergie du 8 TeV centre de masse de, se désintégrant en particules invisibles une luminosité integrée de 20.3 fb−1 enregistrées par le détecteur ATLAS au LHC. Les résultats sont interprétés dans les modèles de matière noire Higgs portail(Higgs portal Dark Matter). / For Run 2 of the LHC a fourth, innermost Pixel Detector layer on a smaller radius beampipe has been installed in the ATLAS Detector to add redundancy against radiation damage ofthe current Pixel Detector and to ensure a high quality tracking and b-tagging performance ofthe Inner Detector over the coming years until the High Luminosity Upgrade. State of the artcomponents have been produced and assembled onto support structures known as staves overthe last two years. In total, 20 staves have been built and qualified in a designated QualityAssurance setup at CERN of which 14 have been integrated onto the beam pipe. In the secondpart, A search for a Higgs boson produced via vector-boson fusion and decaying into invisibleparticles is discussed, using 20.3 fb−1 of proton proton collision data at the centre of massenergy of 8 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. For a Higgs boson with a massof 125 GeV, assuming the Standard Model production cross section, an upper bound of 0.28is set on the branching fraction of H →invisible at 90% confidence level, where the expectedupper limit is 0.31. The results are interpreted in model of Higgs portal dark matter where thebranching fraction limit is converted into upper bounds on the dark matter nucleon scatteringcross section as a function of the dark matter particle mass, and compared to results from thedirect dark matter detection experiments.

The proton, one of the basic constituents of atoms, was discovered around 1920. Its structure has been intensively studied since that time mainly with the help of proton- proton collision experiments. Main progress has started when corresponding experiments at the world's first hadron collider ISR at CERN which ran from 1971 to 1984 were performed. The understanding of the structure and interactions of this subatomic particle protons has been, however, rather incomplete. Only some very general models have been available especially in the case of higher collision energies when very different kinds of collisions have existed. Some very simplifying assumptions of unclear physical meaning have been then involved in models concerning elastic processes. The influence of these assumptions on physical interpretation has started to be studied and some progress has been made when the eikonal model has been proposed, i.e., the dependence of elastic collisions on corresponding impact parameter values has been taken into account from the beginning. However, even if some new results have been obtained many unanswered questions have remained. For example, the collision process has been denoted generally as probabilistic but corresponding probabilities have not been sufficiently defined and determined. The given thesis contains,...

Die Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik stellte einen der Hauptgründe für den Bau des Large Hadron Colliders (LHC) dar, dem derzeit größten Teilchenphysik-Experiment der Welt. Die vorliegende Arbeit ist gleichfalls von dieser Suche getrieben. Der direkte Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen wird untersucht. Dieser Kanal hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Endzustand, bestehend aus zwei Myonen unterschiedlicher Ladung, leicht nachzuweisen und besitzt eine klare Signatur. Weiterhin ist die Massenauflösung hervorragend, sodass eine gegebenenfalls vorhandene Resonanz gleich in ihrer grundlegenden Eigenschaft - ihrer Masse - bestimmt werden kann. Leider ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von Myonen sehr selten. Lediglich etwa 2 von 10000 erzeugten Higgs-Bosonen zeigen diesen Endzustand . Außerdem existiert mit dem Standardmodellprozess Z/γ∗ → μμ ein Zerfall mit einer sehr ähnlichen Signatur, jedoch um Größenordnungen höherer Eintrittswahrscheinlichkeit. Auf ein entstandenes Higgs-Boson kommen so etwa 1,5 Millionen Z-Bosonen, welche am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV produziert werden. In dieser Arbeit werden zwei eng miteinander verwandte Analysen präsentiert. Zum einen handelt es sich hierbei um die Untersuchung des Datensatzes von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV, aufgezeichnet vom ATLAS-Detektor im Jahre 2012, auch als alleinstehende Analyse bezeichnet. Zum anderen erfolgt die Präsentation der kombinierten Analyse des kompletten Run-I Datensatzes, welcher aus Aufzeichnungen von Proton-Proton-Kollisionen der Jahre 2011 und 2012 bei Schwerpunktsenergien von 7 TeV bzw. 8 TeV besteht. In beiden Fällen wird die Verteilung der invarianten Myon-Myon-Masse nach einer schmalen Resonanzsignatur auf der kontinuierlichen Untergrundverteilung hin untersucht. Dabei dient die theoretisch erwartete Massenverteilung sowie die Massenauflösung des ATLAS-Detektors als Grundlage, um analytische Parametrisierungen der Signal- und Untergrundverteilungen zu entwickeln. Auf diese Art wird der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf Grund von ungenauer Beschreibung der Spektren in Monte-Carlo Simulationen verringert. Verbleibende systematische Unsicherheiten auf die Signalakzeptanz werden auf eine neuartige Weise bestimmt. Zusätzlich wird ein bisher einzigartiger Ansatz verfolgt, um die systematische Unsicherheit resultierend aus der Wahl der Untergrundparametrisierung in der kombinierten Analyse verfolgt. Zum ersten Mal wird dabei die Methode des scheinbaren Signals auf einem simulierten Untergrunddatensatz auf Generator-Niveau angewendet, was eine Bestimmung des Einflusses des Untergrundmodells auf die Anzahl der ermittelten Signalereignisse mit nie dagewesener Präzision ermöglicht. In keiner der durchgeführten Analysen konnte ein signifikanter Überschuss im invarianten Massenspektrum des Myon-Myon-Systems nachgewiesen werden, sodass obere Ausschlussgrenzen auf die Signalstärke μ = σ/σ(SM) in Abhängigkeit von der Higgs-Boson-Masse gesetzt werden. Dabei sind Stärken von μ ≥ 10,13 bzw. μ ≥ 7,05 mit einem Konfidenzniveau von 95% durch die alleinstehende bzw. kombinierte Analyse ausgeschlossen, jeweils für eine Higgs-Boson-Masse von 125,5 GeV. Die erzielten Ergebnisse werden ebenfalls im Hinblick auf die kürzlich erfolgte Entdeckung des neuen Teilchens interpretiert, dessen Eigenschaften mit den Vorhersagen eines Standardmodell-Higgs-Bosons mit einer Masse von etwa 125,5 GeV kompatibel sind. Dabei werden obere Grenzen auf das Verzweigungsverhältnis von BR(H → μμ) ≤ 1,3 × 10^−3 und auf die Yukawa-Kopplung des Myons von λμ ≤ 1,6 × 10^−3 gesetzt, jeweils mit einem Konfidenzniveau von 95%.:1. Introduction 2. Theoretical Foundations 3. Experimental Setup 4. Event Simulation 5. Muon Reconstruction and Identification 6. Event Selection 7. Signal and Background Modeling 8. Systematic Uncertainties 9. Statistical Methods 10. Results 11. Summary and Outlook / The search for the Standard Model Higgs boson was one of the key motivations to build the world’s largest particle physics experiment to date, the Large Hadron Collider (LHC). This thesis is equally driven by this search, and it investigates the direct muonic decay of the Higgs boson. The decay into muons has several advantages: it provides a very clear final state with two muons of opposite charge, which can easily be detected. In addition, the muonic final state has an excellent mass resolution, such that an observed resonance can be pinned down in one of its key properties: its mass. Unfortunately, the decay of a Standard Model Higgs boson into a pair of muons is very rare, only two out of 10000 Higgs bosons are predicted to exhibit this decay. On top of that, the non-resonant Standard Model background arising from the Z/γ∗ → μμ process has a very similar signature, while possessing a much higher cross-section. For one produced Higgs boson, there are approximately 1.5 million Z bosons produced at the LHC for a centre-of-mass energy of 8 TeV. Two related analyses are presented in this thesis: the investigation of 20.7 fb^−1 of the proton-proton collision dataset recorded by the ATLAS detector in 2012, referred to as standalone analysis, and the combined analysis as the search in the full run-I dataset consisting of proton-proton collision data recorded in 2011 and 2012, which corresponds to an integrated luminosity of L = 24.8 fb^−1 . In each case, the dimuon invariant mass spectrum is examined for a narrow resonance on top of the continuous background distribution. The dimuon phenomenology and ATLAS detector performance serve as the foundations to develop analytical models describing the spectra. Using these analytical parametrisations for the signal and background mass distributions, the sensitivity of the analyses to systematic uncertainties due to Monte-Carlo simulation mismodeling are minimised. These residual systematic uncertainties are addressed in a unique way as signal acceptance uncertainties. In addition, a new approach to assess the systematic uncertainty associated with the choice of the background model is designed for the combined analysis. For the first time, the spurious signal technique is performed on generator-level simulated background samples, which allows for a precise determination of the background fit bias. No statistically significant excess in the dimuon invariant mass spectrum is observed in either analysis, and upper limits are set on the signal strength μ = σ/σ(SM) as a function of the Higgs boson mass. Signal strengths of μ ≥ 10.13 and μ ≥ 7.05 are excluded for a Higgs boson mass of 125.5 GeV with a confidence level of 95% by the standalone and combined analysis, respectively. In the light of the discovery of a particle consistent with the predictions for a Standard Model Higgs boson with a mass of m H = 125.5 GeV, the search results are reinterpreted for this special case, setting upper limits on the Higgs boson branching ratio of BR(H →μμ) ≤ 1.3 × 10^−3, and on the muon Yukawa coupling of λμ ≤ 1.6 × 10^−3 , both with a confidence level of 95 %.:1. Introduction 2. Theoretical Foundations 3. Experimental Setup 4. Event Simulation 5. Muon Reconstruction and Identification 6. Event Selection 7. Signal and Background Modeling 8. Systematic Uncertainties 9. Statistical Methods 10. Results 11. Summary and Outlook

The Liquid Argon calorimeter of the ATLAS detector at CERN near Geneva is equipped with improved readout and trigger electronics for the operation at higher luminosity LHC in the frame of several upgrades (Phase-0, I, and II). Special attention is given to an early digitisation of detector raw data and their following digital data transmission and processing via FPGAs already for the Level-1 trigger. The upgrades additionally foresee to provide higher spatial granularity information for the Level-1 trigger in order to improve its performance for low momentum single particles at increased collision rates. The first part of this dissertation contains the development and implementation of a modular detector simulation framework, AREUS, which allows to analyse different filter algorithms for the energy reconstruction as well as their performance with respect to the expected digitised detector raw data. In this detector simulation framework the detailed algorithmic functionality of the FPGAs has been taken into account. Various filter algorithms, especially the Optimal Filter and a Wiener Filter with Forward Correction, are discussed with regard to their performance in energy reconstruction of the future Liquid Argon calorimeter trigger system. In the second part of this thesis, the high-speed data transfer for the acquisition of the trigger data is being developed. For this purpose, a generic 10 Gigabit Ethernet UDP stack is designed in VHDL, that is currently applied in an ALTERA® Stratix-IV FPGA as part of the readout electronics of a demonstrator setup in the context of the Phase-0 Upgrade. After implementation in a prototype electronics board, data transfer from the detector front-end is realised. A successful test in the demonstrator setup installed in the ATLAS detector verifying the correct transmission of the Liquid Argon calorimeter trigger signals concludes this work. / Das Flüssig-Argon-Kalorimeter des ATLAS-Detektors am CERN bei Genf wird für den Betrieb am LHC mit erhöhter Luminosität im Rahmen mehrerer Upgrades (Phase-0, I und II) mit verbesserter Auslese- und Triggerelektronik ausgestattet. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der frühzeitigen Digitalisierung der Detektorrohdaten und deren folgende digitale Übertragung sowie Verarbeitung mittels FPGAs bereits für den Level-1 Trigger. Die Upgrades sehen zusätzlich vor, dem Level-1 Trigger eine höhere Ortsauflösung bereitzustellen um seine Leistungsfähigkeit der Energierekonstruktion von niedrigenergetischen Teilchen bei erhöhter Kollisionsrate zu verbessern. Der erste Teil dieser Dissertation beinhaltet die Entwicklung und Umsetzung einer modularen Detektorsimulationsumgebung, AREUS, mit der verschiedene Filteralgorithmen zur Energierekonstruktion sowie deren Performanz in Abhängigkeit der erwarteten digitalisierten Detektorrohdaten analysiert werden können. Dabei wurde in der Simulationsumgebung die Funktionalität der Rechenarithmetik der später verwendeten FPGAs berücksichtigt. Verschiedener Filteralgorithmen, im Besonderen der Optimal Filter und ein Wiener Filter mit Korrekturglied, werden im Hinblick auf ihre Performanz der Energierekonstruktion für das zukünftige Triggersystem des Flüssig-Argon-Kalorimeters diskutiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zur Erfassung von Triggerdaten. Zu diesem Zweck wird ein generischer 10 Gigabit Ethernet UDP Stack in VHDL entworfen, der als Teil der Ausleseelektronik eines Demonstrator-Testaufbaus im Rahmen des Phase-0 Upgrades in einem ALTERA® Stratix-IV FPGA aktuell zum Einsatz kommt. Nach Implementierung in einem Prototypen einer Auslesekarte konnte ein Transfer von Detektordaten realisiert werden. Eine Überprüfung am Demonstrator-Testaufbau, welcher im ATLAS Detektor installiert ist, schließt diese Dissertation ab. Sie hat eine korrekte Übertragung von Triggersignalen des Flüssig-Argon-Kalorimeters erfolgreich bestätitgt.

This thesis contains a study of the robustness of the artificial neural network used in the ATLAS track reconstruction algorithm as a tool to recover tracks in dense environments. Different variations, motivated by potential discrepancies between data and simulation, are performed to the neural network’s input while monitoring the corresponding change in the output. Within reasonable variation magnitudes, the neural networks prove to be robust to most variations. In addition, a measurement of charged particle distributions is summarised. This is one of the first such measurements carried out for proton-proton colli- sions at √s = 13 TeV, limited to a phase space defined by transverse momentum pT &gt; 100 MeV and absolute pseudorapidity |η| &lt; 2.5. Tracks are corrected for de- tector inefficiencies and unfolded to particle-level. The result is compared to the prediction of different models. Overall, the EPOS and Pythia 8 A2 models show the best agreement with the data. / Spår från elektriskt laddade partiklar rekonstrueras i ATLAS genom att kombinera mätningar från de innersta subdetektorerna. I de extrema miljöer som skapas i proton-proton-kollisionerna i Large Hadron Collider vid CERN är det av yttersta vikt att algoritmen för att rekonstruera spår är högpresterande. Uppgiften är särskilt svår i partikelrika miljöer där flera partiklar färdas nära varandra, åtskilda av avstånd jämförbara med storleken på detektorns utläsningselement. Ett artificiellt neuralt nätverk används i algoritmen för att klassificera mätdata från pixeldetektorn, belägen närmast interaktionspunkten, för att lyckas identifiera spår i partikelrika miljöer som annars hade gått förlorade. I denna avhandling utreds det neurala nätverkets stabilitet. Dess känslighet studeras genom att manuellt manipulera dess indata och därefter utvärdera dess resultat. Nätverket tränas med simulerad data. Variationerna i indata är utformade för att undersöka skillnader mellan data och simulering, orsakade av osäkerheter i simuleringsmodellen eller osäkerheter i pixeldetektorns kalibrering. Av de undersökta variationerna har en osäkerhet i skalan eller utläsningströskeln för pixeldetektorns kalibrering den största effekten på nätverkets resultat. Andra variationer har en betydligt mindre påverkan. Avhandlingen presenterar också en studie av distributioner av elektriskt laddade partiklar producerade i proton-proton-kollisioner. Det är en av de första studierna av partikeldistributioner för Large Hadron Colliders andra körning med mass-centrum-energi √s = 13 TeV. Mätningen är begränsad till fasrymden definierad av en transversell rörelsemängd pT &gt; 100 MeV, och absolut rapiditet |η| &lt; 2.5. Spår av partiklar rekonstrueras och korrigeras för detektorns ineffektiviteter för att presenteras på partikelnivå. Dessa jämförs sedan med förutsägelser från olika modeller. Modellerna EPOS och Pythia 8 A2 är generellt de som bäst överensstämmer med data. Författaren har undersökt partiklar som migrerar in och ut ur fasrymden. Andelen spår associerade till partiklar som migrerat utifrån uppskattas med simulerad data, till som mest 10% nära fasrymdens gränser. Osäkerheten på denna andel uppskattas till att vara som mest 4.5%, huvudsakligen orsakad av osäkerheten på mängden material i de innersta subdetektorerna. / <p>QC 20160817</p>

The flow and heat transfer within compressor rotor cavities of aero-engines is a conjugate problem. Depending on the operating conditions buoyancy forces, caused by radial temperature difference between the cold throughflow and the hotter shroud, can influence the amount of entrained air significantly. By this, the heat transfer depends on the radial temperature gradient of the cavity walls and in reverse the disk temperatures are dependent on the heat transfer. In this thesis, disk Nusselt numbers are calculated in reference to the air inlet temperature and in comparison to a modeled local air temperature inside the cavity. The local disk heat flux is determined from measured steady-state surface temperatures by solving the inverse heat transfer problem in an iterative procedure. The conduction equation is solved on a 2D mesh, using a validated finite element approach and the heat flux confidence intervals are calculated with a stratified Monte Carlo approach. An estimate for the amount of air entering into the cavity is calculated by a simplified heat balance. In addition to the thermal characterization of the cavity, the mass exchange of the air in the cavity with the axial flow in the annular gap and the swirl distribution of the air in the cavity are also investigated.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Literaturübersicht 2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung 2.2 Ergebnisgrößen 2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten 2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten 2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten 3 Experimenteller Aufbau 4 Messtechnik 4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen 4.2 Lufttemperaturen 4.3 Statischer Druck 4.4 Dreiloch-Drucksonden 5 Datenauswertung 5.1 Kernrotationsverhältnis 5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl 5.2.1 Finite-Elemente Modell 5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem 5.2.3 Anpassungsmethode 5.2.4 Testfälle zur Validierung 5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe 5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit 5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis 5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit 5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten 5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion 5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl 5.2.12 Zusammenfassung 5.3 Austauschmassenstrom 6 Experimentelle Ergebnisse 6.1 Dichteverteilung in der Kavität 6.2 Massenaustausch Kavität 6.3 Wärmeübertragung in der Kavität 6.3.1 Fallbeispiel 6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz 6.3.3 Einfluss des Massenstromes 6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters 6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt 6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität 7 Zusammenfassung und Ausblick / Die Strömung und Wärmeübertragung in den Verdichterkavitäten von Flugtriebwerken ist ein konjugiertes Problem. Durch die radialen Temperaturunterschiede in der Kavität wird die Menge der in die Kavität strömenden Luft stark beeinflusst. Somit ist die Wärmeübertragung abhängig von den radialen Temperaturgradienten der Scheibenwände und umgekehrt ist die Scheibentemperatur abhängig von der Wärmeübertragung. Die Nusselt-Zahl in diesem System wurde aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit in der Historie auf die eine Referenztemperatur vor der Kavität bezogen. Dies ist insofern problematisch, da hierdurch die thermischen Verhältnisse unterschätzt werden können. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zu Berechnung der Nusselt-Zahl mithilfe einer modellierten lokalen Lufttemperatur innerhalb der Kavität verwendet. Die lokale Wärmestromdichte auf der Scheibenoberfläche wird mithilfe eines validierten zweidimensionalen rotationssymmetrischen Finite-Element Modells auf der Grundlage von gemessenen Oberflächentemperaturen berechnet. Dies stellt ein inverses Wärmeleitungsproblem dar, welches mithilfe einer Anpassungsmethode gelöst wurde. Die Auswirkung der Messunsicherheit der Temperaturmessung auf die berechnete Wärmestromdichte wird durch eine geschichtete Monte-Carlo-Simulation, nach dem Ansatz der LHC-Methode, untersucht. Neben der thermischen Charakterisierung der Kavität wird zudem der Massenaustausch der Luft in der Kavität mit der axialen Durchströmung im Ringspalt sowie die Drallverteilung der Luft in der Kavität untersucht.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Literaturübersicht 2.1 Modellsystem der rotierenden Kavitäten mit axialer Durchströmung 2.2 Ergebnisgrößen 2.3 Strömung in rotierenden Kavitäten 2.4 Wärmeübertragung in rotierenden Kavitäten 2.5 Fluidtemperatur in rotierenden Kavitäten 3 Experimenteller Aufbau 4 Messtechnik 4.1 Oberflächen- und Materialtemperaturen 4.2 Lufttemperaturen 4.3 Statischer Druck 4.4 Dreiloch-Drucksonden 5 Datenauswertung 5.1 Kernrotationsverhältnis 5.2 Wärmestromdichte und Nusseltzahl 5.2.1 Finite-Elemente Modell 5.2.2 inverses Wärmeleitungsproblem 5.2.3 Anpassungsmethode 5.2.4 Testfälle zur Validierung 5.2.5 Validierung Testfall 1 und 3 - ideale Kavitätenscheibe 5.2.6 Validierung Testfall 2 - Reproduzierbarkeit 5.2.7 Validierung Testfall 4 - lokales Ereignis 5.2.8 Bestimmung der Wärmestromdichte-Unsicherheit 5.2.9 Anwendung der Anpassungsmethode auf experimentelle Daten 5.2.10 Wahl der Randbedingungsfunktion 5.2.11 Wärmeübergangskoeffizient und Nusselt-Zahl 5.2.12 Zusammenfassung 5.3 Austauschmassenstrom 6 Experimentelle Ergebnisse 6.1 Dichteverteilung in der Kavität 6.2 Massenaustausch Kavität 6.3 Wärmeübertragung in der Kavität 6.3.1 Fallbeispiel 6.3.2 Einfluss der Drehfrequenz 6.3.3 Einfluss des Massenstromes 6.3.4 Einfluss des Auftriebsparameters 6.4 Wärmeübertragung im Ringspalt 6.5 Drall im Ringspalt und der Kavität 7 Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Dissertation werden drei Messungen des Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Antiquark-Paaren in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV vorgestellt. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider in den Jahren 2010 und 2011 aufgezeichnet. Für die Analyse werden Endzustände mit genau einem Myon oder Elektron, mindestens drei Jets sowie großem fehlenden Tranversalimpuls selektiert. Während eine Analyse ausschließlich kinematische Informationen für die Trennung von Signal- und Untergrundprozessen verwendet, nutzen die anderen beiden zusätzlich Informationen zur Identifizierung von Bottom-Quark-Jets. Mit Hilfe von multivariaten Methoden werden die präzisesten Messungen in dieser Ereignistopologie erreicht. Dies ist für zwei der Analysen insbesondere dank der Profile-Likelihood-Methode möglich, welche sorgfältig untersucht wird. Desweiteren wird zum ersten Mal ein sogenannter sichtbarer Wirkungsquerschnitt in Top-Quark-Ereignissen gemessen. Alle Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen in angenäherter nächstnächstführender Ordnung der Störungstheorie (approx. NNLO). / This doctoral thesis presents three measurements of the top quark-antiquark pair production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7TeV recorded in 2010 and 2011 with the ATLAS Experiment at the Large Hadron Collider. Events are selected in the single lepton topology by requiring an electron or muon, large missing transverse momentum and at least three jets. While one analysis relies on kinematic information only to discriminate the top quark-antiquark pair signal from the background processes, the other two also make use of b-tagging information. With the help of multivariate methods the most precise measurements in this topology are obtained. This is for two of the measurements in particular possible due to the use of a profile likelihood method which is studied in detail. For the first time a fiducial inclusive cross section measurement for top quark events is performed allowing a measurement almost independent of theoretical uncertainties. All measurements are in agreement with theory predictions performed in perturbation theory at approximate NNLO.

In dieser Dissertation werden Resultate einer Suche nach der Produktion von Einzel-Top-Quarks über flavour-verletzende neutrale Ströme (FCNCs) in starken Welchselwirkungen vorgestellt. Hierfür werden Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8TeV verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment im Jahr 2012 aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 14.1 fb−1. In der Analyse werden FCNC-Ereignisse selektiert, in denen ein leichtes Quark (u oder c) mit einem Gluon wechselwirkt, und ein einzelnes Top-Quark und potentiell ein weiterer einzelner Jet produziert wird. Mittels der Forderung nach genau einem Myon oder Elektron, großer fehlender Transversalenergie und exakt einem Bottom-Quark-Jet und eventuellem zusätzlichen Jet im Endzustand werden Kandidaten der gesuchten Ereignisse im leptonischen Zerfallskanal des Top-Quarks selektiert. Zur Unterscheidung zwischen Signal- und Untergrundereignissen werden multivariate Methoden herangezogen. Künstliche neuronale Netze werden verwendet, um diverse kinematische Variablen zu einem einzelnen Klassifikator zu kombinieren. Um die potentielle Produktion von Top-Quarks über FCNCs zu quantifizieren, werden die Ausgaben der neuronalen Netze einer Bayes''schen statistischen Analyse unterzogen. Da kein Überschuss an Signalereignissen festgestellt werden kann und die Ergebnisse den Erwartungen der theoretischen Vorhersagen entsprechen, werden neue obere Schranken auf den FCNC-Produktionswirkungsquerschnitt von Einzel-Top-Quarks ermittelt. Aus diesen werden unter Verwendung von modell-unabhängigen theoretischen Berechnungen neue obere Schranken auf die Kopplungskonstanten sowie auf die entsprechenden Verzweigungsverhältnisse ermittelt. / This thesis presents results of a search for single top-quark production via flavour-changing neutral currents (FCNCs) in strong interactions using data recorded with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2012. A dataset from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8TeV and corresponding to an integrated luminosity of 14.1 fb−1 is used. It is searched for FCNC events in which a light quark (u or c) interacts with a gluon to produce a single top quark, either with or without the associated production of another light quark or gluon. Candidate events of leptonically decaying top-quarks are selected by requiring a single electron or muon, a substantial amount of missing transverse energy, and exactly one or two jets of which exactly one has to fulfil a b-tagging criterion. Multivariate techniques are employed in order to distinguish between signal- and background-like events by making use of artificial neural networks that combine multiple kinematic variables into a single classifier output. A Bayesian statistical analysis is performed on the classifier outputs in order to quantify potential signs of FCNC single top-quark production. No excess in signal events is observed and the results are in agreement with the theory predictions. Consequently a new upper limit is set on the FCNC single top-quark production cross-section multiplied by the t->Wb branching fraction. Using theory calculations within a model-independent effective theory framework, this limit is converted into upper limits on the coupling constants of the FCNC interactions as well as into respective upper limits on the branching fractions.

Es wird eine Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV vorgestellt. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 inversen Femtobarn. Kollisionsereignisse werden selektiert, sodass der resultierende Anteil der Signalereignisse relativ hoch ist. Selektierte Ereignisse enthalten ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlenden Transversalimpuls und zwei Jets, die durch b-Quarks induziert wurden. Alle Objekte haben hohe transversalimpulse. Auch nach dieser Selektion überwiegen Untergrundprozesse, insbesondere die Paarproduktion von Top-Quarks und die Produktion von W-Bosonen begleitet von Jets. Um den Signalprozess weiter von den Untergründen zu trennen, werden mehrere Wahrscheinlichkeitsdichten näherungsweise berechnet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Annahme des zugrundeliegenden Streuprozesses. Zusammen ergeben sie eine Funktion der gemessenen Impulse, mit deren Hilfe das Signal weiter von den Untergründen getrennt werden kann. Ein statistisches Modell der entsprechenden Verteilung wird an die Messdaten angepasst. Diese Messung ergibt eine Signifikanz des Signalprozesses von 3.4 Standardabweichungen und einen totalen Wirkungsquerschnitt von 5.3^+1.8_-1.6 Pikobarn. Dies ist die erste signifikante Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen. Die Ergebnisse stimmen mit der Vorhersage des Standardmodells überein. / A measurement of s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV is presented. The data set has been recorded with the ATLAS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 20.3 inverse femtobarn. Collision events are selected so that a subset of the data is obtained where the signal fraction is relatively high. Selected events contain one isolated electron or muon, missing transverse momentum and 2 jets, both of which are induced by b-quarks. All of these objects have large transverse momenta. The resulting set of events is still dominated by background processes, most notably top-quark pair production and the production of W bosons in association with jets. In order to further separate the signal from the backgrounds, several approximate event likelihoods are computed. They are based on different hypotheses regarding the scattering process at hand. Together they result in a function of the measured momenta which allows for the desired separation of the signal process. A statistical model of the corresponding distribution is used in a fit to the measured data. The fit results in a signal significance of 3.4 standard deviations and a total cross section of 5.3^+1.8_-1.6 picobarn. This is the first evidence for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions. The results agree with the standard model prediction.

Diverse astrophysikalische Beobachtungen weisen auf bislang unerklärte Materie hin, die hauptsächlich gravitativ interagiert. Wenn diese Materie, bezeichnet als Dunkle Materie, ein Elementarteilchen ist, könnte sie in Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider produziert werden. Aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit normaler Materie könnte sie jedoch nicht direkt mit den Vielzweckdetektoren am Large Hadron Collider beobachtet werden. Ihre Produktion würde sich stattdessen in Ereignissen zeigen, in denen ein Rückstoß von Detektor-sichtbaren Objekten gegen die Detektor-unsichtbare Dunkle Materie besteht, was fehlende transversale Energie verursacht. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Endzuständen, in denen diese sichtbaren Objekte sogenannte Jets sind. In dieser Dissertation wird eine Messung des Endzustands aus großer fehlender transversaler Energie und mindestens einem Jet in 139/fb an Proton–Proton-Kollisionen bei 13 TeV, aufgezeichnet mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider, durchgeführt. Zwischen den gemessenen Daten und der Standard-Modell-Vorhersage wird in einer statistischen Optimierung gute Übereinstimmung gefunden. Die Messung wird von Detektor-Effekten bereinigt, um spätere Reinterpretation zu vereinfachen. Messungen, die auf diese Art aufbereitet wurden, können beispielsweise von der Contur-Software benutzt werden, um Parametergrenzen für neue Theorien festzustellen. Sowohl die Ergebnisse der Messung, als auch die Contur-Software, welche auf existierende Messungen am Large Hadron Collider zurückgreift, werden verwendet, um Ausschlussgrenzen für ein Modell, das Dunkle Materie erklären kann, festzustellen. Betrachtet wird das Modell von zwei Higgs-Dubletts und einem pseudoskalaren Botenteilchen zu Dunkler Materie. / Various astrophysical observations point towards an as-of-yet unexplained, mainly gravitationally interacting type of matter. If this matter, called Dark Matter, is an elementary particle, it could be produced in particle collisions at the Large Hadron Collider. Given its weak interaction with ordinary matter, however, it would not be directly observable with the general-purpose detectors at the Large Hadron Collider. Its production would therefore manifest as events in which detector-visible objects recoil against the detector-invisible Dark Matter, giving rise to missing transverse energy. This thesis focuses on final states in which these visible objects are jets. A measurement of the final state of large missing transverse energy and at least one jet in 139/fb of proton–proton collisions at 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is performed in this thesis. Good agreement between measured data and Standard-Model prediction is found in a statistical fit. The measurement is corrected for detector effects to facilitate later reinterpretation. Measurements prepared in such a way can, for example, be exploited by the Contur toolkit to set constraints on new theories. Both, the results of the measurement and the Contur toolkit making use of existing measurements at the Large Hadron Collider, are employed to set exclusion limits on a model able to explain Dark Matter, the two-Higgs-doublet model with a pseudoscalar mediator to Dark Matter.