In this work, we examine how neutrino and collider experiments can each and together put constraints on new physics more stringently than ever. Constraints arise in three ways. First, possible new theoretical frameworks are reviewed and analyzed for the compatibility with collider experiments. We study alternate theories such as the superconnection formalism and non-commutative geometry (NCG) and show how these can be put to test, if any collider excess were to show up. In this case, we use the previous diboson and diphoton statistical excess as examples to do the analysis. Second, we parametrize low energy new physics in the neutrino sector in terms of non-standard interactions (NSI), which are constrained by past and proposed future neutrino experiments. As an example, we show the capability of resolving such NSI with the OscSNS, a detector proposed for Oak Ridge National Lab and derive interesting new constraints on NSI at very low energy (≲ 50 MeV). Apart from this, in order to better understand the NSI matter effect in long baseline experiments such as the future DUNE experiment, we derive a new compact formula to describe the effect analytically, which provides a clear physical picture of our understanding of the NSI matter effect compared to numerical computations. Last, we discuss the possibility of combining neutrino and collider data to get a better understanding of where the new physics is hidden. In particular, we study a model that produces sizable NSI to show how they can be constrained by past collider data, which covers a distinct region of the model parameter space from the DUNE experiment. In combining the two, we show that neutrino experiments are complementary to collider searches in ruling out models such as the ones that utilize a light mediator particle. More general procedures in constructing such models relevant to neutrino experiments are also described. / Ph. D. / As we know, all matter in our daily life is made of particles called atoms and molecules, which are in turn formed by subatomic particles: protons, neutrons, and electrons. If one further divides the former two with certain technology, such as using a proton collider to smash one into another, it goes to the regime of elementary particles. It is shown experimentally that all matter we know is made of elementary particles that cannot be further divided. They include quarks and leptons. Together with the force carrier particles (also called gauge bosons) and the Higgs scalar, they form the Standard Model of particle physics. In this work, we study the properties of elementary particles and the way they interact with each other that are different from the Standard Model predictions. We conduct the research study in the following two aspects: collider phenomena and neutrino phenomena. These two aspects cover the high energy regime of particle scattering process and low energy regime of neutrino propagation, which are two important sectors of great interest recently. As a result of the analysis, we discuss possible ways that the new physics is hidden yet can be detected with next generation experiments.

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Cette thèse décrit les recherches de nouvelles résonances massives se décomposant en une paire d’électronsou une paire de photons dans l’état final. Différents ensembles de données, provenant des collisionsproton-proton à une énergie dans le centre de massesqrt(s) = 13 TeV au Large Hadron Collider (LHC) etenregistrées par l’expérience CMS en 2015 et 2016, ont été analysés. Après un chapitre consacré à ladescription du modèle standard de la physique des particules élémentaires, les motivations pour l’introductionde nouvelles théories qui dépassent le modèle standard sont introduites et certaines classes demodèles sont décrites. Les techniques utilisées pour reconstituer les particules produites dans les collisionssont discutées ensuite, avec un accent particulier sur la reconstruction des électrons et des photons. Deuxanalyses séparées sont présentées.La première est la recherche d’une nouvelle résonance lourde se désintegrant en une paire d’électronsdans l’état final. De telles résonances sont prédites par une variété de modèles tels que les théories degrand unification ou les théories introduisant des dimensions supplémentaires. Leur signature apparaîtraitcomme un excès localisé d’événements dans le spectre de masse invariante des paires électron-positron.La sélection des événements est optimisée pour être très efficace pour les électrons à haute énergie etéviter de perdre des événements de signal potentiels. L’analyse repose sur des échantillons simulés pourl’estimation de la principale source de bruit de fond, qui est le processus Drell-Yan du modèle standard,où un boson Z est produit. Des approches basées sur les données sont poursuivies pour la validation dela simulation du bruit de fond avec des électrons produites dans l’état final et pour la déterminationdu bruit de fond provenant de processus de quantum chromo dynamics. Après avoir inspecté la masseinvariante des paires électron-positron, aucun excès sur la prédiction du modèle standard est observée, etdes limites supérieures à 95% de niveau de confiance sont placées sur le rapport entre la section efficacede production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance et cette même quantitéau pic du boson Z.La deuxième analyse présentée dans cette thèse est la recherche d’une nouvelle résonance lourde se désintegranten une paire de photons dans l’état final, dont l’existence est prédite par des modèles avec dessecteurs de Higgs non minimaux ou par des théories qui postulent l’existence de dimensions spatialessupplémentaires. Leur signature apparaîtrait comme un excès localisé d’événements dans le spectre demasse invariante des paires de photons. La sélection des événements a été optimisée afin d’être très efficacepour les photons à haute énergie et d’éviter la perte de signaux potentiels. L’estimation du bruit de fondest entièrement basée sur les données et réalisée avec un paramétrisation du spectre de masse invarianteobservé. Après l’inspection de la masse invariante des paires de photons, aucun excès par rapport à laprediction du modèle standard n’est observé, et des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sontplacées sur la section efficace de production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance.Les résultats ont également été combinés avec ceux obtenus par les mêmes techniques d’analyse,mais avec des ensembles de données différents. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The Standard Model has been very successful over the last few decades in its agreement with experimental evidence; however there are some remaining puzzles in our understanding of the Universe which have yet to be solved. Even if the Higgs boson and Super Symmetry are discovered, questions still arise, such as why Nature is primarily made of matter when antimatter should have been produced in equal amounts at the beginning of the Universe, why the fundamental particles have the mass hierarchy that they do, what the nature of dark matter is, or whether or not quarks and leptons are themselves made of constituent parts, just to name a few. Theories Beyond the Standard Model attempt to tackle these questions, and also provide alternative explanations for electroweak symmetry breaking in case the Higgs mechanism in the Standard Model contradicts what is observed. The ATLAS detector was built to discover new physics from high-energy proton-proton collisions delivered by the Large Hadron Collider and to probe the electroweak scale with hard interactions at energies near ~1 TeV. While searching for new physics processes occurring at a much higher invariant mass than available at previous colliders, understanding the performance of the detector is crucial, especially during the first few months of running. This thesis presents a motivation for using dimuons to search for new physics in early ATLAS data, a measurement of the Z0/γ ->μμ cross section as a first test of Standard Model theoretical predictions at √s =7 TeVqqμμ, and finally a search for new physics via a four-fermion contact interaction in the dimuon channel (qqμμ) using the full 2010 data set.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Yurii Maravin / In this Dissertation I present a detailed study of ppbar->WZ production using fully leptonic decays of W and Z bosons with electrons and muons in the final state. Data used for the study were collected by the D0 detector at the Fermilab proton-antiproton collider with a center-of-mass energy of 1.96 TeV and correspond to 4.1 fb[surepscript]-1 of integrated luminosity. The most precise measurement of the WZ production cross section is obtained and found to be in a good agreement with the standard model prediction. I also present a search for new phenomena in the WZ production by investigating the coupling between W and Z bosons and by searching for new charged particles that can decay into WZ boson pair. No evidence for new physics is found, and the most stringent limits are set on the anomalous WWZ coupling parameters and masses of charged resonances. This result also sets the stringest limit on one of the possible sources of electroweak symmetry breaking, a low-scale Technicolor with a typical heavy techni-pion hypothesis.

We study the sensitivity of fixed target neutrino experiments (LSND, T2K, CENNS, and COHERENT) and proton beam dumps (MiniBooNE off-target, and SHiP) to sub-GeV dark matter. In order to reproduce the observed thermal relic abundance, these states are coupled to the Standard Model via new, low mass mediators in the form of a kinetically mixed U(1)0 vector mediator or a vector mediator gauging baryon number. We present a model for the production of low mass dark matter from proton-nucleon collisions in fixed targets. Sensitivity projections are made using signals from elastic electron- and nucleon-dark matter scattering, as well as coherent nuclear-dark matter scattering and dark matter induced inelastic π 0 production. A fixed target Monte Carlo code has been developed for this analysis, and documentation is included. We find that analyses using current and future proton fixed target experiments are capable of placing new limits on the hidden sector dark matter parameter space for dark matter masses of up to 500\,MeV and mediator masses as large as a few GeV. / Graduate

Dans les études présentées ici, seules les données collectées par le détecteur ATLAS sont analysées. La première partie du document décrit en détails le contexte théorique sous-jacent à ces études, ainsi que lecolllisioneur LHC et l'expérience ATLAS. Le LHC étant un collisionneur hadronique, l'identification et la reconstruction des leptons est cruciale pour les mesures précises de section efficaces des processus du Modèle Standard, ou la recherche de nouvelle physique. C'est pourquoi la deuxième partie du document est dédiée aux mesures de performances : mesures in situ des efficacités de reconstruction et d'identification des électrons. La recherche de nouvelle physique est présentée dans la troisième partie du document. Cette étude a été réalisée dans le canal incluant deux leptons de même charge et de l'énergie transverse manquante. Les résultats inclus ont été obtenus avec un ensemble de données collectées à $sqrt s$ = 8 TeV correspondant à une luminosité intégrée de L = 20 fb$^{-1}$, ainsi que les premières données collectées avec $sqrt s$ = 13 TeV. L'état final constitué d'une paire de leptons de même charge et de jets permet également la mesure directe du couplage de Yukawa pour le quark top, à l'aide du processus $ppto tbar tH$. Ce couplage est le plus élevé dans le Modèle Standard et associe les deux particules élémentaires les plus lourdes prédites par la théorie, le quark top et le boson de Higgs. Dans la quatrième partie de ce document, une étude complète de la sensibilité pouvant être atteinte avec une énergie de $sqrt s$ = 13TeV et une luminosité intégrée de 100 fb$^{-1}$ of data, est présentée pour le canal incluant deux leptons de même charge. / For the presented studies only the data recorded with the ATLAS detector is analyzed. The theoretical framework, the LHC collider and the ATLAS experiment are given in the first part of this thesis.At hadron colliders, the lepton identification and reconstruction are crucial for precise SM cross sections and coupling measurements or for new physics searches. Therefore, the second part of my thesis is dedicated to performance studies : in-situ measurements of electron identification and reconstruction efficiencies. The search for new physics is presented in the third part of the thesis. For these studies the channel with two same~- sign leptons and missing transverse energy is considered. The results are obtained with $L$~=~20 fb$^{-1}$ of data recorded at $sqrt s$ = 8 TeV and with the very first data at $sqrt s$ = 13 TeV. At the end of Run-1 no significant excess in data over the Standard Model prediction is observed and stringent limits on the supersymmetric particle masses are set. With the two same - sign leptons and jets final state it is also possible to measure directly the top quark Yukawa coupling using the ttbar + $H$ channel. This coupling is the largest in the Standard Model and it connects two of the heaviest particles predicted by the Standard Model, the top quark and the Higgs boson. In the fourth part of this thesis, a complete optimization is performed to reach the highest sensitivity for this signal in the two same~- sign leptons channel at $sqrt s$ = 13 TeV with 100 fb$^{-1}$ of data, corresponding to the end of Run-2.

Ce travail de thèse se situe dans le cadre de l'experience ATLAS au LHC. Une première partie du travail présenté dans ce document porte sur l'étalonnage temporel du calorimètre à argon liquide d'ATLAS (LAr). Le control de l'alignement temporel du calorimètre est important pour la bonne qualité de l'énergie reconstruite dans le calorimètre. Les résultats présentésdans cette thèse ont permis une amélioration de 30% de la résolution temporelle globale du calorimètre LAr.Le Modèle Standard de la physique des particules prédit, lors des collisions de protons, la production de bosons faibles W et Z par paire via l'interaction d'un quark et d'un anti-quark. La production de dibosons peut être sensible aux couplages des bosons vecteurs entre eux. Une déviation anomale de ces couplages par rapport aux valeurs prédites par le MS pourrait signer la présence de nouvelle physique. L'exploitation de toute la statistique des données 2012 d'ATLAS nous a permis d'accroitre la précision de la mesure de ces couplages par rapport aux précédents résultats basés sur des lots de données moindres. Cette thèse présente donc la mesure de la section efficace de production des dibosons WZ utilisant l'ensemble de données collectées par ATLAS en 2012 lors de collisions p-p au LHC à une énergie de 8 TeV au centre de masse. Avecla statistique disponible, le rapport des sections efficaces de production des événements W^+Z et W^-Z a pu être aussi mesuré. Cette dernière mesure n'avait pu être effectuée jusqu'alors en utilisant les données 2011 en raison du manque de statistique. Enfin, des mesures de section efficaces différentielles normalisées en fonction de quatre variables cinématiques ont aussi étéeffectuées. La précision sur la section efficace integrée mesurée est de 5.5%, ce qui est atteint en réduisant l'incertitude statistique par 55% par rapport aux précédents résultats d'ATLAS. Ainsi, les incertitudes expérimentales des mesures ont commencé à se rapprocher des incertitudes des prédictions théoriques. Ceci est prometteur pour les futures mesures au LHC avec beaucoup plus de statistique où l'on s'attend alors à une augmentation significative de la précision expérimentale. / This thesis is performed in the frame of the ATLAS experiment at the LHC.A first part of the work presented in this document consists on the time calibration of the ATLAS Liquid Argon (LAr) calorimeter. The control of the time alignment of the calorimeter is important for the goodness of the quality of the energy reconstructed in the calorimeter. The results presented in this thesis have allowed an improvement of 30% of the global time resolution of the LAr calorimeter.The Standard model of particle physics predicts, during proton collisions, the production of the W and Z weak bosons as a pair due to the interaction of a quark with an anti-quark. The diboson production can be sensitive to the couplings between vector bosons.An anomalous deviation of these couplings from the prediction of the SM would point to the presence of new physics.The use of the full statistics of the 2012 ATLAS data allowed us to increase the precision of the measurement of these couplings compared to previous results based on smaller datasets.This thesis presents therefore the measurement of the WZ dibosons production cross section using the full 2012 data collected by the ATLAS experiment from the p-p collisions at the LHC at a center-of-mass energy of 8~TeV. Also, with the available statistics the ratio of the production cross sections of W^+Z and W^-Z events were measured. This measurement was not performed previously using the 2011 data due to a lack of statistics. Finally, measurements of the normalized differential cross section as a function of four kinematic variables were also performed.The precision on the measured integrated cross section is 5.5% which is reached mainly by the reduction of the statistical uncertainty by 55% with respect to the previous ATLAS results. Therefore, the order of magnitude of the experimental uncertainties on the measurement started to approach that of the theoretical predictions. This is promising for future measurements at the LHC as with higher statistics the experimental precision is expected to overcome the theoretical one.

La présente thèse constitue le compte rendu de l'analyse menée auprès du détecteur ATLAS du LHC et concernant la recherche de processus de création résonante de nouvelles particules se désintégrant en une paire de quarks top. Elle s'articule principalement autour de la notion de jet de hadrons, dont l'identification et la reconstruction est un enjeu capital pour toute mesure essayant de signer l'apparition de quarks top lors de processus de collisions proton-proton. Après une mise en contexte portant sur une description générale des caractéristiques théoriques et expérimentales que présente la thématique de la détection de jets de hadrons dans le détecteur ATLAS, nous présentons une première tentative de validation de la méthode d'étalonnage hadronique local, dont le but est de corriger ces jets des imprécisions de mesure engendrées par le détecteur. Dans la deuxième partie du document figure l'analyse menée sur les 14~fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à $sqrt{s} = 8$~TeV, récoltées lors de l'année 2012, à la recherche de l'apparition de processus de création résonante de nouvelle particules extit{lourdes} dans le spectre de masse invariante top-antitop. Pour des particules lourdes, les quarks tops produits lors de la désintégration de ces dernières possèdent une impulsion très grande par rapport à leur masse et la désintégration de tels quarks top conduit souvent à une topologie dans l'état final dite og boostée fg, où le quark top, s'il se désintègre de manière hadronique, est très souvent reconstruit comme un seul jet, de large paramètre de rayon. Le présent travail de thèse propose ainsi une étude préliminaire pour reconstruire et identifier le plus précisément possible ce type de signal, en se basant sur l'étude de la sous-structure des jets de hadrons. / This report presents the analysis conducted with the ATLAS experiment at the LHC and searching for resonnant production of new particles decaying into a pair of top quarks. Top quark reconstruction is mainly build upon the notion of hadronic jets, whose identification and reconstruction is a crucial issue for any measure trying to sign top quark decays from proton-proton collisions processes. After a general description of the theoretical and experimental features of jet reconstruction in the ATLAS detector, we present a first attempt to validate the local hadronic calibration method, which aim at correcting the measurement of these objects from inaccuracies caused by detector effects. In the second part, we present the analysis conducted on 14~fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at $ sqrt{s}=$8~TeV collected during the year 2012 and searching for resonnant creation of new extit{heavy} particles in top-antitop invariant mass spectrum. For heavy particles, the quarks produced in the decay of the latter have a high impulsion with respect to their mass and those top quark decays often results in a so called og boosted fg topology, where the hadronically decaying top quark is often reconstructed as a single jet of large radius parameter. In this context, we present a preliminary study to reconstruct and identify as precisely as possible this type of boosted topologies, based on the study of jet substructure.

Charged lepton flavour violating processes are highly suppressed in the standard model, but they are predicted to be enhanced in several new physics extensions including supersymmetry and models with leptoquarks or compositeness. Data collected with the BaBar detector at the SLAC PEP-II e$^+$e$^-$ asymmetric collider at a centre-of-mass energy of 10.36~GeV were used to search for electron-muon flavor violation in $\Upsilon (3S)\rightarrow e^{\pm}\mu^{\pm}$ decays. The search was conducted using a data sample in which 118 million $\Upsilon (3S)$ mesons were produced, corresponding to an integrated luminosity of 27~$fb^{-1}$. There is no evidence of a signal in the $\Upsilon (3S)$ data and we report our results as upper limits on $\mathcal{B}(\Upsilon(3S)\rightarrow e^{\pm}\mu^{\mp})<3.6\times10^{-7}\mathrm{at~ 90\%~ CL}$. / Graduate