In the Standard Model of particle physics, the non-zero masses of the W and Z bosons and the fermions are generated through interactions with the Higgs field, excitations of which correspond to Higgs bosons. Thus, the experimental discovery of the Higgs boson is of prime importance to physics, and would confirm our understanding of fundamental mass generation. This thesis describes a search for the gg → H → WW → lνlν process of Higgs boson production and decay. It uses the LHC Run I dataset of pp collisions recorded by the ATLAS detector, which corresponds to an integrated luminosity of 4.5 fb⁻¹ at √s = 7 TeV and 20.3 fb⁻¹ at √s = 8 TeV. An excess of events is observed with a significance of 4.8 standard deviations, which is consistent with Higgs boson production. The significance is extended to 6.1 standard deviations when the vector boson fusion production process is included. The measured signal strength is 1.11^+0.23<sub style='position: relative; left: -2.1em;'>-0.21</sub> at m_H = 125 GeV. A cross section measurement of WW production, a major background to this search, is also presented using the √s = 7 TeV dataset only.

The Standard Model of Particle Physics describes the fundamental building blocks of matter and phenomena up to the highest particle interaction energies. The theory demands the existence of a scalar particle: the Higgs boson. The Higgs boson was discovered by the ATLAS and CMS collaborations at CERN using bosonic final states and is measured to have a mass of around 125 GeV. This particle is predicted to decay predominantly into pairs of b-quarks at this mass, but suffers from overwhelming backgrounds from the multijet production expected from QCD interactions. Therefore, H→bb- production in association with a leptonically decaying W or Z boson is considered, with Z → vv-, W → lv and Z → ll, where ` denotes electrons and muons. This thesis presents a search for the Higgs boson decaying into bb- pairs in association with a W or Z boson using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The analysis uses the full dataset recorded during pp collisions at the LHC in Run-1, corresponding to 4.7 fb-1 at √s = 7 TeV and 20.3 fb-1 at √s = 8 TeV. A multivariate technique and a kinematic cut-based approach have been used to maximize the signal over background ratio, where a particular emphasis on the latter approach is made in this thesis. Final state radiation and reconstruction effects may decrease the bb- resonance resolution significantly, while comparably decreasing the probability of observing the decay over the background. The b quark pairs from the Higgs boson are reconstructed as topological clusters formed to jets in the ATLAS calorimeter. Thus, the reconstruction and calibration of these jets are crucial for the final Higgs mass resolution and paramount for the search and for future precision measurements of V H, H→bb- production. This thesis presents the development and evaluation of advanced techniques to improve the invariant dijet mass reconstruction of the H→bb- candidate. Sequential jet calibrations, semileptonic corrections and pT corrections to account for the interplay between jet resolution/scale and the underlying signal pT spectrum obtained from Monte Carlo simulations have been studied. A major focus has been made on the development and evaluation of an event-level kinematic likelihood fitting framework to exploit the full kinematic potential of V H topologies within the detector uncertainties of the reconstructed final state signatures in order to improve the measurement of the b-tagged jet kinematics. The jet energy calibrations of the H→bb- signal candidates yield an overall improvement of the dijet invariant mass resolution of up to ~30%, and of the expected statistical significance of ~12%. The analysis procedure is validated using the resonant V Z(bb-) production in the same final states as for the Higgs boson search, and is observed, compatible with the Standard Model expectation, with a significance of 4.9 standard deviations and a signal strength of μ^V Z = 0:74+0:17 -0:16. For a Higgs boson mass of 125.36 GeV, the observed (expected) deviation from the background-only hypothesis is found with a significance of 1.4 (2.6) standard deviations and a signal strength is determined to be μ^V H = 0:52±0:32(stat.)±0:24(syst.).

The generation of vector boson mass via the Higgs mechanism in the Standard Model has been confirmed by the 2012 discovery of a candidate Higgs boson in the H&rarr;WW, H&rarr;ZZ, and H&rarr;&gamma;&gamma; decay channels. In contrast, the Yukawa couplings hypothesized to provide the mass of fermions in the Standard Model have yet to be observed. The H&rarr;&tau;&tau; decay channel currently provides the best opportunity for observing these couplings. This thesis describes two separate but related searches for Higgs boson decays in the H→&tau;&tau; decay channel using proton-proton collisions recorded by the ATLAS detector. The first analysis is a general search for all Higgs boson production mechanisms leading to a H&rarr;&tau;&tau; decay using 4.5 fb⁻¹ of 7 TeV and 20.3 fb⁻¹ of 8 TeV proton-proton collision data. A deviation from the background-only hypothesis is observed with a significance of 4.5&sigma; for a hypothetical Higgs boson mass of m_H = 125 GeV — a strong indication of a H&rarr;&tau;&tau; signal. For the same mass point, the best fit value for the signal strength is found to be 1.43 ^&plus;0.43<sub style='position: relative; left: -2.4em;'>−0.37</sub> x the Standard Model expectation. The second analysis is a search for Higgs boson production in association with a vector boson using 20.3 fb⁻¹ of 8 TeV proton-proton collision data. Results in the Z_llH&rarr;_&tau;l&tau;h channel indicate limits of 9.14 x the Standard Model expectation for VH signal production at m_H = 125 GeV. In addition, two studies on enhancement of computing performance in the ATLAS trigger and data analysis pipeline are presented.

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider ergeben sich auf Grundlage der beobachteten Masse weitreichende Konsequenzen für das Standardmodell der Teilchenphysik (SM) sowie für darüber hinausgehende physikalische Theorien. In supersymmetrischen Modellen ist es möglich, die Masse des SM-artigen Higgs-Bosons vorherzusagen. Dies lässt Rückschlüsse auf das Massenspektrum der bisher unentdeckten Teilchen zu. Die gegenwärtigen Ausschlussgrenzen für einige supersymmetrische Teilchen liegen oberhalb der TeV-Skala. In Szenarien mit großen Abständen im Massenspektrum wird die Präzision der Higgs-Massenvorhersage durch die Resummation logarithmischer Terme, die von den Massen der zusätzlichen Teilchen abhängen, erheblich verbessert. Die Methode FlexibleEFTHiggs ermöglicht eine Berechnung der Higgs-Masse, die sowohl große Logarithmen resummiert als auch alle weiteren Terme bis zu einer festen Ordnung in der Störungstheorie berücksichtigt. In vorhergehenden Arbeiten wurde die Methode FlexibleEFTHiggs als Modul in das Softwarepaket FlexibleSUSY integriert. Um die Genauigkeit der Higgs-Massenberechnung zu optimieren, werden in dieser Arbeit Erweiterungen des FlexibleEFTHiggs-Ansatzes beschrieben, wobei ein Schwerpunkt in der konkreten Anwendung auf das Minimale Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) besteht. Dies erfordert eine Weiterentwicklung des Verfahrens zur Bestimmung der quartischen Higgs-Kopplung. In diesem Zusammenhang wird die Bedeutung der Parametrisierung in den verwendeten Relationen erläutert und die Reihenentwicklung in SM-Kopplungen konsequent auf ein-Schleifenniveau trunkiert. Die vorgestellte Modifikation ist modellunabhängig und ermöglicht eine Resummation der nächstführenden Logarithmen (NLL). In Bezug auf die Resummation von Logarithmen höherer Ordnung sind weitere Änderungen in der Gleichung zur Bestimmung der quaritschen Kopplung erforderlich. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, die Beziehung durch eine Reihenentwicklung unter Verwendung der Parameter des vollständigen Modells auszudrücken. Basierend auf dem bestehenden MSSM-Spektrumgenerator in FlexibleSUSY, welcher Higgs-Massenkorrekturen bis zum Dreischleifenniveau berücksichtigt, wird eine Higgs-Massenberechnung unter Verwendung der hier entwickelten Neugestaltung der FlexibleEFTHiggs-Methode realisiert. In Verbindung mit dem Lösen der Gleichungen der Renormierungsgruppen auf vier-Schleifenniveau, ergibt sich somit eine Resummation der Logarithmen von bis zu N3LL. Zudem ermöglicht die Parametrisierung mittels der Parameter des vollen Modells eine Resummation von Beiträgen mit höchster Potenz in der Squark-Higgs-Kopplung Xq. Um dies darzulegen, werden systematische Betrachtungen des Auftretens von Xq in MSSM Green-Funktionen und Schwellenkorrekturen in zwei Parametrisierungen vorgestellt. Anschließend werden Resummationsgleichungen angegeben und die verbesserten Konvergenzeigenschaften aufgrund der Xq-Resummation in der neuen FlexibleEFTHiggs-Berechnung demonstriert. Zudem werden weitere numerische Ergebnisse vorgestellt und eine ausführliche Analyse der theoretischen Unsicherheiten für Referenzszenarien diskutiert. / Since the discovery of the Higgs boson at the Large Hadron Collider, the observed mass led to far-reaching consequences for the Standard Model of particle physics (SM) and for theories beyond it. In supersymmetric models, the mass of the SM-like Higgs boson can be predicted from the full-model information. This allows insights into the mass spectrum of the extended particle content that has not yet been revealed by experiments. In fact, the current exclusion limits for some of the supersymmetric particles exceed the TeV-threshold. In scenarios with a large mass hierarchy, the accuracy of Higgs-mass predictions is significantly improved by resumming logarithmic terms, which depend on the mass of the exotic particles. A way to efficiently organize the Higgs-mass calculation with a resummation of large logarithms, while including contributions at a fixed order, is achieved by the method FlexibleEFTHiggs. In previous work, the method FlexibleEFTHiggs was implemented as a module in the public code FlexibleSUSY. To increase the precision of the Higgs-mass calculation, this thesis describes several improvements of the FlexibleEFTHiggs approach, with a focus on the application to the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). We discuss a refined high-scale matching procedure allowing a consistent resummation of next-to leading logarithms (NLL) independent of the SUSY model. In this process, we address the aspect of parametrizing the high-scale matching in terms of SM couplings in conjunction with a strict truncation at 1-loop. With respect to the resummation of higher-order logarithms, a novel strategy is proposed to organize the high-scale matching. It is shown that the ideal setting is given if the matching is expressed in a perturbative expansion of full-model parameters. Building upon the existing MSSM spectrum generator from FlexibleSUSY, where the state-of-the-art self-energies and tadpoles are available at 2-loop and 3-loop orders, we have constructed a Higgs-mass calculation using a redesign of the FlexibleEFTHiggs method. Combined with a renormalization group running up to 4-loop, the Higgs-mass prediction achieves log-precision of N3LL. Analyzing the difference between the parametrizations in terms of SM parameters and full-model parameters, we discovered the ability to resum terms of maximal power in the squark-Higgs parameter Xq. To illustrate this statement, we perform a systematic investigation on the appearance of Xq in MSSM Green functions and threshold corrections in both parametrizations. As a result, a plethora of all-order resummation relations is presented, and we demonstrate the improved convergence properties of our updated calculation induced by the Xq-resummation. We provide numerical results and a thorough analysis of theoretical uncertainties for standard benchmark scenarios.

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