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

In this thesis, we review the basics of phenomenology in particle physics at neutrino beam dump experiments and hadron colliders. We then consider the phenomenology of various new particles, with masses between 1 MeV and 1 TeV, at the intensity and energy frontiers. We perform sensitivity analyses for physics beyond the standard model at particle colliders (LEP and LHC) and a number of past and future neutrino beam dump experiments (SHiP, DUNE, LSND, MicroBooNE, MiniBooNE and SBND). In particular, we motivate searches for new heavy neutral leptons in single photon events at neutrino and collider experiments (and also via supernova cooling), millicharged particles in single electron events at neutrino experiments, lepton flavor violating scalars via standard model induced mixed flavor neutrino trident production at neutrino experiments, and colored scalar doublets at colliders in events with many jets, soft leptons and low missing energy. In the process, we set novel new bounds on the parameters of these theories and propose powerful new searches that can be performed. We also motivate the construction of a new detector at the LHC called milliQan, and perform a full Geant4 simulation to calculate its projected sensitivity for millicharged particles. The milliQan experiment has since been approved and is currently undergoing construction. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / In this thesis, we review the basics of particle physics at neutrino experiments and particle colliders. We then motivate and develop key searches that can be performed to look for new particles at a series of existing and future experiments. We focus on new particles with masses between the electron mass and 1000 times the proton mass. The many searches we consider involve looking for processes that produce a single ray of light, a single electron, a pair of oppositely charged "electron-like" events, new collider signatures, and/or modifications of star explosions. In the process, we set novel new bounds on many theories. We also motivate the construction of a new detector at the Large Hadron Collider called milliQan, and perform a full simulation to assess its future performance. The milliQan experiment has since been approved and is currently undergoing construction.

This thesis presents a search for neutral bosons, such as new Higgs and Z' bosons, predicted by theories extending the Standard Model of particle physics. The search is performed in the di-tau analysis channel, where both tau leptons decay hadronically. Promising candidates of such theories are the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and the non-universal G(221) model, which predict large couplings to tau leptons in large regions of their parameter space. Proton–proton collisions produced by the Large Hadron Collider (LHC) at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded with the ATLAS detector in 2015 and 2016, are analyzed for this search. The data correspond to an integrated luminosity of 36.1 fb^-1. This search relies on sophisticated algorithms for the reconstruction of hadronic tau decays from their decay products. This thesis presents a novel approach employing multivariate techniques to significantly improve existing algorithms, which became the default for reconstruction of hadronic tau decays in ATLAS since 2017. Additionally, the new method can provide useful information for subsequent tau identification algorithms. The MSSM extends the Higgs sector of the Standard Model by four additional Higgs bosons. Of particular interest for this thesis are the neutral CP-even H and CP-odd A bosons. The search for these bosons is performed in the mass range of 0.2 TeV to 2.25 TeV in two orthogonal categories depending on the number of identified b-quarks, each preferring one of the two considered production modes via gluon–gluon fusion or b-associated production. The data are in good agreement with the Standard Model prediction. Upper limits are set on the cross-section times branching fraction using a confidence level (CL) of 95 % independently for both production modes. Most stringent observed limits are found for a resonance mass of 1.5 TeV to be 4.94 fb and 3.65 fb for gluon–gluon fusion and b-associated production, respectively. The results are further interpreted in the hMSSM, mhmax and mhmod scenarios. Observed upper limits in the hMSSM scenario on tanβ are found to be between 4.6 at mA = 0.25 TeV and 41.4 at mA = 1.5 TeV. The search for additional Z' bosons is performed independently on the number of identified b-quarks in the mass range of 0.2 TeV to 4 TeV. As for the search for additional Higgs bosons no significant hint for new physics has been observed. 95 % CL observed upper limits are set on the cross-section times branching fraction for Z' bosons in the Sequential Standard Model (SSM) benchmark scenario between 20.5 pb at mZ' = 0.2 TeV and 7.74 fb at mZ' = 1.75 TeV. The observed upper limit for the highest considered mass of mZ' = 4 TeV is found to be 16 fb. Z' bosons in the SSM and the non-universal G(221) model are excluded at 95 % CL for masses below 2353 GeV and 2232 GeV, respectively.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach einem angeregten $b$ Quark, $b^*$, durchgeführt. Für diese $b^*$ wird eine anomale Kopplung an Bosonen aus dem Standard Modell vorhergesagt. Diese Kopplung führt zu der Produktion in hochenergetischen Proton-Proton Kollisionen. In der Suche zielen wir auf Ereignisse, bei denen eines der zwei $W$ Bosonen in ein Elektron oder Muon zerfällt und das andere in ein Hadronenpaar. Da es nur ein Neutrino in diesem Prozess gibt, kann das ganze Ereigniss kinematisch rekonstruiert werden. Damit ist es möglich, die Masse des $b^*$ als diskriminierende Variable zu verwenden. Als Datenquelle dienen die Daten, die der ATLAS Detektor in den Jahren 2015 und 2016 bei Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunksenergie von $\sqrt s = \SI{13}{\tera\electronvolt}$ aufgezeichnet hat. Dabei entspricht diese Datenmenge einer integrierten Luminosität von $\L_{int} = \SI{36.1}{\femto\barn^{-1}}$. Da die Analyse auf hochmassige $b^*$ abziehlt, kann man davon ausgehen, dass das Hadronenpaar aus dem $W$ Zerfall in einen Jet mit großen Radius passt. Es wurde kein signifikanter Überschuss über den Untergrund gefunden. Damit können nur obere Ausschlussgrenzen bezüglich der Wirkungsquerschnitte in dem entsprechenden Zerfallskanal abgeleitet werden. Unter Annahme von einer Kopplungskonstanten von 1, sind Zerfälle von $b^*\to Wt$ bis zu einer Masse $m_{b^*,\mathrm{obs}}= \SI{2.5}{\tera\electronvolt}$ ausgeschlossen, wobei erwartet wurde, dass die Ausschlussmasse bei $m_{b^*,\mathrm{exp}}= \SI{2.4}{\tera\electronvolt}$ liegen würde. / A search for an excited $b$ quark, $b^*$, in events containing a top quark and a $W$ boson is investigated. These $b^*$ are predicted to have some anomalous couplings to Standard Model bosons aiding the production in high energy proton-proton collisions. The search is aiming for events, where one of the two $W$ bosons decays into an electron or muon, while the other decays hadronically. With only one neutrino, the event can be kinematically fully reconstructed. This enables the use of the mass of the $b^*$ as the discriminant variable. The data source under investigation is the data taken by the ATLAS detector at the LHC accelerator in the years 2015 and 2016 at a center-of-mass energy of $\sqrt s = \SI{13}{\tera\electronvolt}$. The combined dataset corresponds to an integrated luminosity of $\L_{int} = \SI{36.1}{\femto\barn^{-1}}$. The analysis targets high mass excited $b^*$ quarks, where the products of the hadronically decaying $W$ are contained within a large-radius jet. No significant excess over the expected background is observed and upper limits on the cross-section times branching ratio and coupling limits are derived. Assuming unit coupling, $b^*$ decaying into $Wt$ are excluded up to $m_{b^*,\mathrm{obs}}= \SI{2.5}{\tera\electronvolt}$, with an expected exclusion limit of $m_{b^*,\mathrm{exp}}= \SI{2.4}{\tera\electronvolt}$.