Ce manuscrit décrit mon travail de thèse au sein de l’expérience CMS du collisioneur LHC. Il présente les deux sujets sur lesquels j’ai travaillé : un sujet orienté détecteur et un sujet orienté analyse de données. Le premier sujet, orienté détecteur, se situe dans le cadre du projet HL-LHCqui prévoit une augmentation de la luminosité instantanée d’un facteur cinq. Une telle augmentation et la conservation du système de haut niveaudu déclenchement (HLT), engendre de nouvelles contraintes sur le détecteurCMS. Notamment au niveau du système de déclenchement électronique. Lacollaboration CMS envisage d’implanter ce dernier au sein du détecteur detraces. Deux méthodes de déclenchement sont proposées : la méthode des modules empilés et la méthode des mémoires associatives. La méthode desmémoires associatives necessite toutefois une présélection intéligente des signauxélectriques pour être utilisable. La méthode de la largeur des amas estproposée conjointement par l’équipe de Fabrizio Palla (Pise) et par l’équipede Didier Contardo (IPNL) pour présélectionner les signaux. L’optimisation de cette méthode, en particulier des paramètres géométriques des modules etdes seuils appliqués pour la présélection des signaux électrique, est le résultatde mon travail. Il est détaillé tout au long de la partie III de ce manuscrit. Le deuxième sujet concerne l’analyse des données récoltées par CMS durant l’année 2011. Cette analyse a pour objectif de rechercher de nouvellesparticules dans le spectre de masse invariante top anti-top. De par sa grande masse, proche de la brisure électrofaible, le quark top joue un rôle prépondérantdans de nombreuses extensions du Modèle Standard. L’observation de résonances étroites dans le spectre pourrait en être le signe. L’analyseest subdivisée en trois parties : la sélection des évènements top anti-top, la reconstruction de la masse invariante top anti-top et une étude statistique pour quantifier la présence de nouvelle physique. Les résultats de ce travailsont des limites sur la section efficace de production de nouvelles particules.Ils sont présentés dans la partie IV du manuscrit. / This manuscript describes my thesis work within the CMS experiment ofthe LHC collider. It presents both subjects on which I worked : a detectorsubject and a data analysis subject. The first subject, detector, is situated within the framework of the HL-LHCproject which plans an increase by a factor five the instantaneous luminosity.Such an increase and the preservation of the high level trigger (HLT)system, generate new constraints on the CMS detector. This is particularly true for the electronic trigger (L1) system. The CMS collaboration intends to implant this within tracker detector. Two methods are proposed : the stubmodules method and the associative memorie method. However, associativememorie method require a clever preselection of electric signals to be usable.The cluster width method is jointly proposed by Fabrizio Palla’s team (Pisa) and by Didier Contardo’s team (IPNL) to preselecte electric signals. The optimization of this method, in particular geometrical parameters of modules and thresholds applied for the electric signals preselection, is the result of myown work. It is detailed throughout the part III of this manuscript. The second subject concerns the analysis of data collected by CMS during 2011. This analysis has for objective to look for new particles in the spectreof anti-top top invariant mass. Due to its big mass, close to the electroweak symmetry breaking energy, the top quark plays a important role in numerous extensions of the Standard Model. The observation of narrow resonances in the spectre could be the sign of new particles. The analysis is subdivided into three parts, the selection of top anti-top events, the reconstruction of top anti top invariant mass and a statistical study to quantify the presence of new physics. The results of this work are limits on the cross-section productionof new particles. They are presented in the part IV of this manuscript.

La masse du quark top est un paramètre fondamental du Modèle Standard de la physique des particules. L'un des défis du programme de physique du LHC, où le quark top est produit en abondance, est la détermination précise de ce paramètre. Actuellement, il est mesuré via la reconstruction directe de tous les produits de désintégration du quark top. L'incertitude systématique sur la calibration en énergie des jets et sur l'étiquetage de quarks b limite grandement la précision de cette mesure et il est donc indispensable de développer des mesures alternatives. Une possibilité très prometteuse – jusque-là jamais exploitée – est l'étude de désintégrations de paires de quarks top, où l'un des deux quarks se désintègre dans le canal leptonique avec un J/psi créé lors de la fragmentation du quark b. La masse du quark top est extraite à travers sa corrélation à la masse invariante de la combinaison du J/psi et du lepton chargé. Cette méthode présente l'avantage de n'utiliser que des leptons chargés, dont l'énergie-impulsion est mesurée avec une grande précision dans le détecteur CMS / The top quark mass is a fundamental parameter of the Standard Model of Particle Physics. One of the challenges in the LHC physics case, where the top quark is produced in abundance, is the precise determination of this parameter. Currently, it is measured through the direct reconstruction of all the top quark decay products. The systematic uncertainty on the jet energy calibration and b tagging sensibly limits the precision on this measurement and it is thus vital to develop alternative measurements. A very promising possibility – never exploited until now – is the study of top pair decays, where one of the two quarks decays in the leptonic channel with a J/psi created in the b quark fragmentation. The top quark mass is extracted through its correlation to the invariant mass of the J/psi-charged lepton combination. This method presents the advantages of using charged leptons only, whose energy momentum is measured with great accuracy in the CMS detector

Cette thèse présente des études pour l’International Linear Collider (ILC), un collisionneur électron-positron linéaire avec une énergie nominale dans le centre de masse de 250 GeV à 500 GeV. Les données analysées ont été enregistrées avec le prototype physique CALICE d’un calorimètre électromagnétique silice-tungstène (Si-W ECAL) à FermiLab en 2008. Au cours de cette thèse, un algorithme de recherche de traces a été développé, qui trouve des traces secondaires dans les événements hadroniques enregistrés par le prototype Si-W ECAL. Cet algorithme révèle des détails sur les interactions hadroniques dans le volume du détecteur et les résultats sont comparés avec des simulations basées sur le GEANT4 toolkit. Les recherches indirectes de nouvelle physique nécessitent une haute précision sur les mesures des paramètres de Modèle Standard. Théories de la physique au-delà de Modèle Standard, comme théories de dimensions supplémentaires ou modèles composite, impliquent des modifications des couplages électrofaibles des quarks lourds, top et bottom. La deuxième partie de la thèse est une étude de simulation complète des algorithmes de vertexing dans l’environnement ILD et la reconstruction de la charge de quark b. La reconstruction de la charge du quark bottom est essentielle pour de nombreux canaux de physique à l’ILC, particulièrement, pour les réactions e⁺e⁻ → bb̄ et e⁺e⁻ → tt̄ . L’algorithme développé améliore la performance de reconstruction de la charge du quark bottom. Les méthodes de reconstruction de la charge du quark bottom sont appliquées à l’analyse du mécanisme de production tt̄ . Cela permet d’augmenter la statistique pour l’estimation du facteur de forme électrofaible du quark top par rapport à une étude antérieure et donc de diminuer les incertitudes statistiques correspondantes. Les résultats de l’étude du détecteur permettent d’estimer la précision de l’ILC sur les couplages et les facteurs de forme électrofaibles du quark bottom. L’ILC sera capable de résoudre l’anomalie du LEP dans le processus de production bb̄. La précision de l’ILC sur le couplage droite Z⁰bb̄, un candidat majeur pour les effets de la nouvelle physique, est calculée et est au moins 5 fois mieux que celle des expériences de LEP. / This thesis presents studies for the International Linear Collider (ILC),a linear electron-positron collider with a nominal center-of-mass energy of 500 GeV. Data are analysed that were recorded with the physics prototype of the CALICE silicon-tungsten electromagnetic calorimeter (Si-W ECAL) prototype at FermiLab in 2008. During this thesis, a track-finding algorithm was developed, which finds secondary tracks in hadronic events recorded by the Si-W ECAL physics prototype. This algorithm reveals details of hadronic interactions in the detector volume and the results are compared with simulations based on the geant4 toolkit.Indirect searches of New Physics require a high precision on the measurements of the Standard Model parameters. Many Beyond Standard Model theories, like extradimentional or composite models, imply modifications of electroweak couplings of the heavy quarks, top and bottom. The second part of the thesis is a full simulation study of vertexing algorithms in the ILD environment and the reconstruction of the b-quark charge. The b-quark charge reconstruction is essential for many physics channels at the ILC, particularly, for the e+ e− → bb̄ and the e+ e− → tt̄ channels. The developed algorithm improves the b-quark charge reconstruction performance.The b-quark charge reconstruction methods are applied to the tt̄ production process. This allows to increase statistics for the top quark electroweak form factor estimation w.r.t an earlier study and thus to decrease corresponding statistical uncertainties.The results of the detector study allow for an estimation of the ILC precision on the b-quark electroweak couplings and form factors. The ILC will be able to resolve the LEP anomaly in the bb̄ production process. The ILC precision on the right-handed Z⁰bb̄ coupling, a prime candidate for effects of new physics, is calculated to be at least 5 times better than theLEP experiments.

Ce travail de thèse a été effectué au sein de la collaboration ATLAS au LHC. Il s'intéresse dans un premier temps au développement de nouveaux détecteurs Micromegas pour le projet NSW, et dans un second temps à la recherche d'un processus physique très rare : la production de quatre quarks top au LHC, à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV. Le programme de physique du LHC prévoit une augmentation significative de la luminosité de l'accélérateur dans les années à venir, en particulier pour la phase haute-luminosité dont le démarrage est prévu en 2026. Certains composants du détecteur ATLAS doivent être mis à jour, notamment les petites roues du spectromètre à muons qui vont devoir supporter une irradiation bien supérieure au niveau actuel. De nouvelles petites roues (NSW) sont en cours de développement et une partie des détecteurs Micromegas pour ces petites roues est construite par l'IRFU. Les performances de ces détecteurs sont validées sur un banc de test utilisant des muons cosmiques. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer un code d'analyse des données de ce nouveau banc de test afin de caractériser les détecteurs Micromegas pour le projet NSW. Le code fournit notamment des informations de gain et d'efficacité de détection, et sera utilisé jusqu'à la fin du projet. Les efficacités mesurées sont globalement en accord avec les attentes sauf sur certaines parties des détecteurs qui doivent être investiguées. Le quark top est un élément central de plusieurs théories au-delà du modèle standard, comme par exemple les modèles avec des dimensions supplémentaires, ou encore qui incluent une modification du secteur du boson de Higgs. Certains de ces modèles prédisent une augmentation de la section efficace de production de quatre quarks top qui est un phénomène très rare dans le modèle standard et dont la section efficace ne vaut qu'environ 12 fb à 13 TeV. L'étude du processus à quatre tops dans le canal à deux leptons de même charge électrique est particulièrement intéressante car le niveau de bruit de fond y est très faible. Ce travail de thèse s'intéresse d'abord à l'analyse des événements à quatre tops avec le détecteur ATLAS, portant sur les données prises en 2015 et 2016. L'étude de ce processus est un défi de par le faible nombre d'événements disponibles, mais aussi à cause du bruit de fond dû aux faux leptons qui est difficile à estimer. Plusieurs limites sont posées sur des modèles de nouvelle physique, et sur la production conforme au modèle standard. Cette dernière limite est combinée avec un résultat provenant du canal à un lepton pour fournir la meilleure limite au moment de sa publication. Le processus de production de quatre quarks top conforme au modèle standard est à nouveau étudié avec l'entièreté des données prises entre 2015 et 2018, dans le but d'en effectuer une première observation. L'analyse de données est en cours, et cette thèse se concentre sur le développement d'une nouvelle méthode d'estimation du bruit de fond dû aux faux leptons. / This doctoral work was carried out as a member of the ATLAS collaboration at the LHC, an accelerator with a center-of-mass energy of 13 TeV. The development of new Micromegas detectors for the NSW project has been studied, along with the search for a very rare physics process : the production of four top quarks at the LHC, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The physics programme of the LHC plans a significant increase of the luminosity in the coming years, especially for the high-luminosity phase beginning in 2026. Some parts of the ATLAS detectors must be upgraded to cope with the increased radiation levels. The small wheels of the muon spectrometer will be replaced by new small wheels (NSW) using Micromegas detectors. IRFU is responsible for producing some of the detectors, which performances are being validated on a test bench using cosmic muons. During this doctoral work, the aim was to develop an analysis code for the test bench data, in order to characterize the Micromegas detectors of the NSW project. The code provides gain and detection efficiency informations, and will be used until the end of the project. The measured efficiencies are in agreement with the expectations except in some parts of the detectors that are being investigated. The top quark plays a central role in many theories beyond the standard model, for instance in models with extra dimensions, or with a modification of the Higgs boson sector. Many of these models predict an enhanced cross section for the very rare four top quark process, which is predicted to be approximately 12 fb at 13 TeV. The study of the four top quark process is particularly interesting in the channel with leptons having the same electric charge because of the very low background level. This doctoral work is firstly carried out on the data taken in 2015 and 2016 by the ATLAS detector, in order to study the four top quark process and some new physics models. This process is very challenging given the very low number of events, and the difficult estimation of the fake lepton background. Several limits are set on new physics models and on the standard model four top quark production. The results on the standard model process are combined with the results from the single lepton channel to set the tightest limit at the time of its publication. The four top quark production is being studied again, using the data taken from 2015 to 2018 this time, with the aim of making a first observation of this process. The doctoral work is focused on a new method for estimating the fake lepton background.

This thesis presents the measurement of the differential cross section of the top-antitop pair production in proton-proton collisions at center-of-mass energy of 8 TeV at the ATLAS experiment. The measurement is performed for top-antitop events in the single lepton decay channel in the boosted topol- ogy. The measured differential cross section is expressed as a function of the top quark transverse momentum at particle level and at parton level. The mea- sured distributions are compatible with the theoretical predictions of the Standard Model. The experimental techniques used in this measurement are discussed with emphasis on the jet reconstruction and on the identification of jets originating from b-quark fragmentation. The jet reconstruction is influenced by simultane- ous proton-proton collisions (pileup), and the mitigation of these pileup effects is studied. A novel pileup subtraction technique for jets is proposed using an ex- tension of the methods currently being employed by the LHC experiments. The new method has a good performance in removing the pileup contributions at the level of jet constituents. 1

Title: Measurement of the top quark properties Author: Mgr. Jaroslava Schovancová Department: Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Re- public Supervisor: RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D., Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: This Thesis presents the ATLAS experiment measurement of the top quark differential cross-section as a function of pT, mass and rapidity of the t¯t system. A sample of approx. 4.7 fb−1 of the 2011 pp collision data at the center-of-mass energy of 7 TeV was analyzed. The differential spectra shapes in the t¯t system are consistent with the Standard Model and reason- ably described by the event generators. Several activities in the scope of ATLAS Distributed Computing are pre- sented, particularly in the area of operations, monitoring, automation, and development of the PanDA Workload Management System. Such activities aim to improve efficiency and facilitate the use of distributed computing re- sources and therefore contribute in supporting the ATLAS Physics Program. Keywords: ATLAS, top quark, differential cross-section, missing transverse energy, ATLAS Distributed Computing

The morphology of asphalt mixtures plays a vital role in their properties and behaviour. The work in this thesis is aimed at developing a fundamental understanding of the effect of the asphalt morphology on the strength properties and deformation mechanisms for development of morphology-based analysis framework for long-term response prediction. Experimental and computational methods are used to establish the relationship between the mixture morphology and response. Micromechanical modeling is employed to understand the complex interplay between the asphalt mixture constituents resulting in strain localization and stress concentrations which are precursors to damage initiation and accumulation. Based on data from actual asphalt field cores, morphology-based material models which considers the influence of the morphology on the long-term material properties with respect to damage resistance, healing and ageing are developed. The morphology-based material models are implemented in a hot-mix asphalt (HMA) fracture mechanics framework for pavement performance prediction. The framework is able to predict top-down cracking initiation to a reasonable extent considering the variability of the input parameters. A thermodynamic based model for damage and fracture is proposed. The results from the study show that the morphology is an important factor which should be taken into consideration for determining the short- and long-term response of asphalt mixtures. Further understanding of the influence of the morphology will lead to the development of fundamental analytical techniques in design to establish the material properties and response to loads. This will reduce the empiricism associated with pavement design, reduce need for extensive calibration and validation, increase the prediction capability of pavement design tools, and advance pavement design to a new level science and engineering. / Asfaltblandningars morfologi har en avgörande betydelse för deras egenskaper och beteenden. Arbetet i denna avhandling syftar till att utveckla en grundläggande förståelse för effekten av asfaltsmorfologin för deras hållfasthetsegenskaper och deformationsmekanismer och utveckling av ramverksanalysmorfologi baserat på långsiktig förutsägelse. Experimentella beräkningsmetoder används för att fastställa sambandet mellan blandningens morfologi och respons. Mikromekanisk modellering används för att förstå det komplexa samspelet mellan asfaltmassans beståndsdelar som resulterar i spänningslokalisering och spänningskoncentrationer som är föregångare till initiering av skador och ackumulation. Morfologibaserade materialmodeller beaktar påverkan av morfologin på de långsiktiga materialegenskaperna med avseende på skademotstånd, helande samt åldrande, och är utvecklade från data hos verkliga asfaltsfältskärnor. Morfologinbaserade materialmodeller är implementerade i en varmblandad asfalt-( HMA )-brottmekanik-ramverk för förutsägelse av beläggningsprestanda. Ramverket kan i rimlig utsträckning förutspå variationen i ingångsparametrarna ’top-down’ sprickbildningsinitiering. En termodynamiskbaserat ramverk föreslås för skador och brott. Resultaten från studien visar att morfologin är en viktig faktor som bör beaktas för att bestämma respons av asfaltblandningar på kort och lång sikt. Ytterligare förståelse av inverkan av morfologin kommer att leda till utvecklingen av grundläggande analytiska tekniker i design för fastställning av materialegenskaper och belastningars respons. Detta kommer att minska empirism som förknippas med beläggningskonstruktionen, minska behovet av omfattande kalibrering och validering, öka förutsägelseförmågan av designverktyg för beläggningen, samt avancera beläggningsdesign till en ny vetenskaplig nivå och ingenjörskonst. / <p>QC 20150420</p>

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'évaluation efficace de requêtes top-k continues sur des flux d'informations textuelles avec des feedbacks utilisateurs. La première contribution est une généralisation des modèles de requêtes top-k continues proposés dans l'état de l'art. Cette généralisation est fondée sur une famille des scores non-homogènes définis comme une combinaison linéaire de scores d'importance de l'information (indépendants des requêtes) et de scores de pertinence du contenu avec une décroissance continue de score reflétant la fraîcheur de l'information. La deuxième contribution est la définition et la mise en ¿uvre de structures de données en mémoire pour l'indexation et l'évaluation de cette nouvelle famille de requêtes top-k continues. Nos expériences montrent que notre solution est évolutive et, limitées aux fonctions homogènes, surpasse les performances d'autres solutions. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous considérons le problème de l'intégration des signaux de feedback à notre famille de scores non-homogènes. Nous proposons un nouveau cadre général pour l'évaluation de ces requêtes du "web en temps réel" (real-time web queries) avec un ensemble d'algorithmes minimisant le coût d'évaluation d'un signal de feedback utilisateur dynamique sur un item d'information. Enfin, nous présentons MeowsReader, notre prototype de recommandation d'actualités qui intègre l'ensemble des résultats obtenus et illustre comment une classe générale de requêtes continues top-k propose une abstraction appropriée pour la modélisation et le filtrage continu d'information sur le web "temps-réel". / In this thesis, we are interested in efficient evaluation techniques of continuous top-k queries over text and feedback streams featuring generalized scoring functions which capture dynamic ranking aspects. As a first contribution, we generalize state of the art continuous top-k query models, by introducing a general family of non-homogeneous scoring functions combining query-independent item importance with query-dependent content relevance and continuous score decay reflecting information freshness. Our second contribution consists in the definition and implementation of efficient in-memory data structures for indexing and evaluating this new family of continuous top-k queries. Our experiments show that our solution is scalable and outperforms other existing state of the art solutions, when restricted to homogeneous functions. Going a step further, in the second part of this thesis we consider the problem of incorporating dynamic feedback signals to the original scoring function and propose a new general real-time query evaluation framework with a family of new algorithms for efficiently processing continuous top-k queries with dynamic feedback scores in a real-time web context. Finally, putting together the outcomes of these works, we present MeowsReader, a real-time news ranking and filtering prototype which illustrates how a general class of continuous top-k queries offers a suitable abstraction for modelling and implementing continuous online information filtering applications combining keyword search and real-time web activity.

In dieser Arbeit wird die Messung des normalisierten differentiellen Wechselwirkungsquerschnitts von Top Quark Produktionen mit zusätzlichen Jets präsentiert. Es werden Proton-Proton Kollisionsdaten des ATLAS Experiments am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit einer Luminosität von 3.2 fb-1 verwendet. Die Top Quark Ereignissen werden durch ein entgegengesetzt geladenes Elektron-Muon Paar und zwei b-tagged Jets selektiert. Der differentielle Wechselwirkungsquerschnitt wird als Funktion von Observablen, die sensitiv auf zusätzliche Jets sind, gemessen: der Jetmultiplizität, des transversalen Impulses der zusätzlichen Jets, der Summe der transversalen Impulse aller Objekte im Ereignis und räumlichen Korrelationen zwischen den zwei Jets mit dem größten Impulsen. Die gemessenen Daten werden auf Teilchen-Level korrigiert und mit verschiedenen Vorhersagen für detailierte Studien des Monte Carlo QCD Models verglichen. / In this thesis, the measurement of the normalised differential cross-sections of top quark pair production in association with jets using 3.2 fb-1 of proton-proton col- lision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC are presented. Jets are selected from top events which are defined by an opposite-charge electron-muon pair and two b-tagged jets in the final state. The cross-sections are measured as functions of several observables are sensitive to ad- ditional jets: jet multiplicities, transverse momentum of additional jets, transverse momentum sum of all objects in the event and spatial correlations of the two high- est momentum additional jets. The data are corrected to obtain particle-level fidu- cial cross-section. The resulting measurements are compared to several predictions allowing detailed studies of Monte Carlo QCD modelling.

The purpose of this study was to investigate the relationships between the changes in Tennessee Comprehensive Assessment Program (TCAP) scores and the changes in Per Pupil Expenditures (PPE) after the enactment of First to the Top Act of 2010 and the receipt of $501,000,000 in federal Race to the Top (RTTT) grant monies. Half of that money was retained by Tennessee Department of Education (TDOE) for education reform initiatives. The other half was awarded to each Local Education Agency (LEA) according to the Title I formula after TDOE approval of individual Scopes of Work. Reform initiatives included transition to Common Core State Standards, changes to standardized testing, teacher evaluation system reflecting teacher effect partly based on student achievement, changes to tenure, and establishment of an Achievement School District for low-performing schools. Fast-paced reforms and increasing accountability for student achievement and gap closure brought a climate of pressure and tension. Secondary data were readily available on the Tennessee Report Card from TDOE’s website (www.tn.gov/education). Data from each LEA were collected, organized, and analyzed in the areas of PPE; TCAP scores in math, reading/language arts, and science for 2010, 2011, and 2012; and student population. No significant relationships were found between the changes in PPE and the changes in TCAP scores. Significant differences were found between the math scores for Year 1 and Year 2. No significant differences were found between the reading/language arts scores for Year 1. A significant difference was found between the reading/language arts scores from 2010 to 2012. Significant differences were found for the science scores for both time periods; however, Year 1 science scores fell while 2010 to 2012 science scores rose. Mixed results were found when investigating the relationship between PPE and number of students. This study indicates the importance of careful discussions of how school funds are spent, perhaps even more than how much money is spent. Implications for further study might include qualitative investigations of the perceptions of stakeholders at all levels about the climate during the fast-paced reforms. Further study of data for Years 3 and 4 of the grant is also recommended.