In dieser Arbeit wird die Suche nach vektorartigen und angeregten Quarks mit einer elektrischen Ladung von Q = 1/3 mit dem ATLAS-Detektor vorgestellt. Die Existenz solcher Quarks wird von verschiedenen Modellen jenseits des Standardmodells vorhergesagt, die bestimmte Schwächen der Theorie beseitigen können. Es wird nach einzeln produzierten Quarks aus zwei verschiedenen Modellen gesucht, da für diesen Produktionsmodus höhere Wirkungsquerschnitte im untersuchten Massenbereich vorhergesagt sind als für die Paarproduktion. Die Suche beschränkt sich auf Zerfälle der Quarks in W-Bosonen und Top-Quarks, wobei letztere fast ausschließlich in W-Bosonen und Bottom-Quarks zerfallen. Verlangt man, dass eines der W-Bosonen leptonisch zerfällt, erhält man Endzustände mit einem Lepton (Elektron oder Myon in diesem Fall), mehreren Jets, von denen einer als von einem Bottom-Quark stammend identifiziert werden kann, und fehlender Energie in der Transversalebene, die durch das beim leptonischen Zerfall entstandene und nicht detektierbare Neutrino hervorgerufen wird. Die daraus berechnete invariante Masse des neuen Quarks wird zur Unterscheidung zwischen Signal und Untergrund verwendet. Die Suche wurde auf dem am LHC im Jahr 2012 aufgenommenen Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV ausgeführt. Es wurde kein signifikanter Unterschied zum vorhergesagten Untergrund gemessen und deshalb Ausschlussgrenzen für Parameter der untersuchten Modelle berechnet. Da die vorgestellte Suche Gebrauch von der geboosteten Topologie der Signalereignisse im untersuchten Massenbereich macht, übertreffen die Ergebnisse bei Weitem die Ausschlussgrenzen für das angeregte Quarkmodell, die in der Vorgängersuche auf dem Datensatz von 2011 erhalten wurden und sind vergleichbar mit kürzlich auf dem Datensatz von 2012 mit dem CMS-Detektor gewonnenen Ergebnissen. Darüber hinaus ist es die erste Suche nach einzeln produzierten vektorartigen Quarks im untersuchten Modell. / A search for vector-like and excited down-type (Q = 1/3) quarks with the ATLAS detector is presented in this thesis. The existence of these quarks is predicted by various models beyond the Standard Model, motivated by some limitations of that theory. Quarks from two specific models are searched for in single production mode, as this is predicted to yield higher cross-sections than pair production in the investigated mass range. The search focuses on decays of the heavy quarks to a W boson and a top quark, the latter of which subsequently decays almost exclusively into another W boson and a bottom quark. Requiring one of the two W bosons to decay leptonically leads to final states containing exactly one lepton (electron or muon in this case), several jets, one of which can be identified as originating from a bottom quark, and some amount of missing energy in the transverse plane stemming from the neutrino of the leptonic W decay. The reconstructed mass of the heavy quark is used to discriminate between signal and background. This search was performed on 20.3 inverse femtobarns of proton-proton collision data collected at the Large Hadron Collider in the year 2012 with a centre-of-mass energy of 8 TeV. No significant excess of the data over the background could be observed and therefore exclusion limits were set on model parameters. The search presented here makes use of the boosted event topology that is prominent in the explored range of signal masses, allowing it to by far exceed the exclusion bounds obtained in the preceding search for the excited quark model on the 2011 data set, and producing results that are comparable to those from a recent search performed with the CMS detector on the 2012 data set. Additionally, it is the first search in the single production mode for that specific vector-like quark model.

In dieser Dissertation wird die Suche nach einzeln erzeugten vektorartigen T-Quarks mit einer elektrischen Ladung +2/3 und Y-Quarks mit einer elektrischen Ladung von -4/3 vorgestellt. Diese exotischen Teilchen werden von verschiedenen Modellen jenseits des Standardmodells vorhergesagt, welche versuchen das Verständnis der elektorschwachen Symmetriebrechung zu erweitern und somit das Naturalness Problem zu lösen. Hierfür werden die in 2015 und 2016 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV und einer integrierten Luminosität von 36.1 inversen fb vom ATLAS Detektor am LHC aufgezeichneten Proton-Proton-Kollisionen ausgewertet. Die Ereignisselektion ist auf leptonisch zerfallende W-Bosonen der Y/T nach Wb Zerfälle ausgerichtet, weshalb ein hochenergetischer, von einem Bottom-Quark stammender Jet, ein einzelnes Lepton, ein in Vorwärtsrichtung emittierter Jet sowie fehlende transversale Energie, neben verschiedenen Isolationskriterien, verlangt wird. Es konnte keine signifikante Abweichung zur Vorhersage des Standardmodells gemessen werden. Aus diesem Grund wurden obere Grenzen for die Kopplungsstärke und den Mischungswinkel von T-Quarks in einem Singulett-Modell sowie Y-Quarks eines (B,Y)-Dublett bzw. (T,B,Y)-Triplett-Modells mit Quarks der dritten Generation des Standard Modells bestimmt. Hierbei wurden erstmalig Interferenzeffekte mit Standardmodellprozessen berücksichtigt. Die obere Grenze für den Mischungswinkel wurden für ein T-Singulett-Modell bei einer Masse von 800 GeV zu |sin(theta_L)|= 0.18, für ein Y eines (B,Y)-Dublett-Modells zu |sin(theta_R)|= 0.17 sowie für ein Y eines (T,B,Y)-Triplett-Modells zu |sin(theta_L)|= 0.16 bestimmt. Die ermittelten Grenzen innerhalb des (B,Y)-Dublett-Modells im Massenbereich 800 GeV bis 1250 GeV sind zu indirekten, aus elektroschwachen Präzisionsvariablen abgeleiteten Schranken kompetitiv. / This thesis presents a search for singly produced vector-like T quarks with charge +2/3 or Y quarks with charge -4/3. These exotic particles are predicted by several beyond-the-standard-model theories which try to shed light on the mechanism of electro-weak symmetry breaking, thus addressing the Naturalness Problem. The analysis is performed on a proton-proton collision data set with an integrated luminosity of 36.1 inverse fb at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded in 2015 and 2016 by the ATLAS detector at the LHC. The focus is on leptonically decaying W bosons from Y/T to Wb decays of the heavy quarks and the event selection requires a jet leading in transverse momentum and being b-tagged, exactly one lepton, a forward jet as well as missing transverse energy beside several isolation requirements. No significant deviation from the expected Standard Model background is observed. Therefore, upper limits on the coupling strength and mixing angle between third generation Standard Model quarks and a T from a singlet model as well as a Y from a (B,Y) doublet or a (T,B,Y) triplet model are computed using the CLs method. This search represents the first analysis in which the interference effects with the Standard Model background are taken into account. The smallest upper limits are found to be |sin(theta_L)|= 0.18 for a T singlet for a mass of 800 GeV, |sin(theta_R)|= 0.17 in the (B,Y) doublet case at 800 GeV and |sin(theta_L)|= 0.16 for the (T,B,Y) triplet model. The observed limits on the mixing parameter |sin(theta_R)| are competitive with indirect bounds from electroweak precision observables in the mass range between about 800 GeV and 1250 GeV.

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