Le travail présenté dans cette thèse a pour sujet la mesure du seul mécanisme de production électrofaible de quark top qui n'ait pas encore été observé au collisionneur hadronique du CERN (LHC): la voie-s. L'intérêt réside dans la confirmation des prédictions du Modèle Standard, mais le but est aussi de contraindre plusieurs scénarios de nouvelle physique à partir de la combinaison de la section efficace voie-s avec celle des autres canaux de production single top, la voie-t et Wt. Après une introduction générale sur la physique du quark top et les dispositifs expérimentaux visant à la détection et la reconstruction des objets physiques, on présente deux analyses réalisées des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS `a une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Etant donné que la production de quark top en voie-s est caractérisée par une tr`es faible pureté et que, en même temps, elle est défavorisée au LHC puisque elle a lieu par annihilation quark-antiquark, une technique multi variée a été appliquée dans les deux cas afin de discriminer le signal. Pour l' étude à 7 TeV, relatif à une luminosité intégrée de 4.7 $fb^{-1}$, deux classificateurs basés sur des arbres de décision boostés sont entrainés contre les événements de bruits de fond principaux; une coupure appliquée sur un des discriminateurs met en oeuvre une sélection des événements, la distribution issue de l'autre discriminateur est ensuite employée dans un fit de maximum de vraisemblance. Cela permet de d'eriver une limite supérieure sur la section efficace voie-s de 21.5 pb (14.3 pb attendu), correspondant à une portée de 0.6 déviations standard (0.8 attendu). L'analyse à 8 TeV, qui est basée sur une luminosité intégrée de 20.3 $fb^{-1}$, repose sur une strat'egie plus simple: seulement un classificateur BDT est optimisé pour isoler le signal, après une préalable sélection des événements grâce `a de simples coupures. Sa distribution discriminante est ensuite ajustée aux données selon la même approche qu' `a 7 TeV, en considérant les incertitudes systématiques et statistiques pendant la génération de pseudo expériences. La portée de la mesure étant encore inférieure à trois déviations standard (1.5 $sigma$ observé et 1.4 attendu), seule une limite `a 95% C.L. peut être établie sur la section efficace; le résultat correspond `a 15.7 pb (7.9 pb attendu). / The work reported in this thesis is aimed at measuring with the ATLAS detector theonly mechanism of top quark electroweak production which has not yet been observedat the Large Hadron Collider: the s-channel. Its interest relies in the confirmationof the Standard Model predictions but, as well, in the possibility of constraining severalnew physics scenarios when comparing the s-channel cross section with the oneof the other single top production modes (the Wt and t-channel). After a generalintroduction upon top physics and the experimental setup employed for the detectionand the reconstruction of the physics objects, we present two analyses realizedwith proton-proton collisions collected by the ATLAS detector at a center of massenergy of 7 and 8 TeV. Since the s-channel production is characterized by a verylow purity and, at the same time, is not favoured at the LHC because it proceedsvia quark-antiquark annihilation, a multivariate approach is applied in both cases todiscriminate the signal. For the 7 TeV study, based on an integrated luminosity of4.7 fb−1, two boosted decision trees classifiers are optimized against the main sourcesof background; a cut realized on one of such discriminants implements a tight eventselection, after which the second output distribution is used for a maximum likelihoodfit to the data. This allows to set an upper limit on the s-channel cross section of21.5 pb (14.3 pb expected), corresponding to a significance of 0.6 standard deviations(0.8 expected). The 8 TeV analysis, based on an integrated luminosity of 20.3 fb−1,has a simpler strategy: only one boosted decision trees classifier is trained to isolatesignal after a preliminary cut-based selection; its output distribution is then fitted tothe data with the same approach than at 7 TeV, taking into account the systematicand statistical uncertainty via the generation of pseudoexperiments. The significanceof the s-channel measurement being lower than 3 σ (1.3 standard deviation observed,1.4 expected), only a 95% C.L. limit can be set on the cross section; the result ishowever improved and corresponds to 14.6 pb (7.9 pb expected).3

Diese Arbeit präsentiert die Messung der Produktion eines einzelnen top quarks im s-channel. Dazu wird der 13 TeV ATLAS Datensatz, welcher von 2015 bis 2018 aufgenommen wurde und insgesamt 139 fb^−1 integrierte Luminositat hat, analysiert. Die große Schwierigkeit dieser Analyse ist die überwältigende Menge an Untergrund. Nach einer optimisierten Auswahl von Ereignissen stammen nur 3 % der Ereignisse von dem gesuchten Prozess. Demzufolge muss der Untergrund so gut wie möglich von dem Signal getrennt werden. In dieser Analyse wird die Matrixelement Methode verwendet. Diese Methode wendet das Neyman-Pearson Lemma, das die optimale Teststatistik beschreibt, auf dieses Teilchenphysik Experiment an. Die Likelihood Funktionen werden durch eine Faltung der Matrixelemente, die die harte Streuung beschreiben, mit den Transferfunktionen, die für die Modelierung der Detektoreffekte zuständig sind, berechnet. Wegen begrenzter Rechenkapazitäten kann dabei nur die erste Ordnung der Näherung in die Berechnung einbezogen werden. Diese Arbeit stellt außerdem Studien vor, die das Ziel haben diese Methode zu verbessern. Dazu wurden die Transferfunktion neu bestimmt. Außerdem wird ein Neuronales Netzwerk zur Identifizierung des Signals angewendet. Um das Resultat zu extrahieren wurde eine statistisches Modell der diskriminierenden Variable der Matrixelement Methode erstellt und mit Hilfe des profile likelihood Fits wurde der Parameter μ, der als Quotient aus dem gemessenen s-channel Wirkungsquerschnitt zu dem vom Standard Modell vorhergesagten Wirkungsquerschnitt definiert ist, bestimmt. Das Resultat der Analyse ist μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31. Dies stimmt mit der Standard Modell Vorhersage überein. Die gemessene Signifikanz beträgt 4.19 σ. Dies ist die höchste jemals gemessene Signifikanz für die s-channel Produktion eines einzelnen top quarks in Proton-Proton Kollisionen. / This thesis presents the measurement of the single top s-channel production with the ATLAS detector. The analysis is based on data collected between 2015 and 2018, at a center-of-mass energy of 13 TeV and with an integrated luminosity of 139 fb^−1. The main challenge of this analysis is the overwhelming background. After an optimized selection of events the signal amounts to only approximately 3 % of all events in the signal region. This necessitates the best possible separation of signal and background. In this thesis, the Matrix Element is utilized. The underlying principle for this method is the Neyman-Pearson lemma which states the optimal test statistic. The likelihoods are computed by a convolution of the matrix elements describing the hard scattering process and the transfer functions which model the detector effects. Due to limited computing resources, only the leading order approximation can be calculated. This thesis further investigates methodologies aimed at enhancing the effectiveness of the signal separation process. For that reason, the transfer functions are updated and a study in which a neural network uses the event likelihoods of the Matrix Element Method as in- put to produce a different discriminating variable is shown. To extract the final result, a statistical analysis of the discriminating variable result- ing from the Matrix Element Method is preformed. A statistical model is built and the profile likelihood fit is used to extract the parameter of interest μ which is the ratio of the observed s-channel single top production cross-section to the Standard Model expectation. The result of the analysis is μ = 1.28 ^+0.36_− 0.31 which is in agreement with the Standard Model. The observed significance of this analysis is 4.19 σ. This is the highest measured significance of the s-channel single top production in proton-proton collisions.

Le Modèle standard de la physique de particules explique avec beaucoup de succès comment les particules fondamentales interagissent entre elles. Néanmoins, ce modèle n’est pas capable d’expliquer certains défis contemporains du domaine, comme la grande quantité de paramètres libres, le problème de la hiérarchie ou l’identité de la matière sombre. Pour expliquer ces phénomènes, il faut chercher la physique au-delà du Modèle standard. De sorte à satisfaire les contraintes provenant des mesures expérimentales, on peut considérer l’addition d’une seule nouvelle particule au Modèle standard qui se couple à deux quarks, le diquark. Sa contribution aux processus hadroniques offre une opportunité d’obtenir des limites dans ses paramètres à partir des données expérimentales contemporaines. Ceci nous permettrait d’évaluer son potentiel et d’identifier les processus auxquels cette particule peut contribuer. Parmi les états de diquarks possibles, on trouve les diquarks scalaires Dᵘ et Dᵈ, qui possèdent un couplage antisymétrique à des paires de quarks droitiers du type up ou du type down, respectivement. L’obtention des contraintes sur les valeurs de leur masse Mᴰ et leurs couplages aux quarks (x^q, y^q), où q = u, d, est l’objectif central de ce travail. Pour cela, on considère tout d’abord des recherches directes dans la production de dijet, la signature expérimentale des désintégrations de ces particules. Ensuite, on sonde l’influence indirecte du diquark Dᵘ dans les mesures expérimentales de la section efficace de production d’un seul quark top. Les données expérimentales obtenues dans le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) pour ces processus à haute énergie sont utilisées pour comparer les prédictions théoriques de ces modèles et quantifier leur viabilité en fournissant de nouvelles contraintes sur ses paramètres. On est capable d’améliorer les contraintes trouvées dans la littérature de |xᵘ| ≤ 14,4 à |xᵘ| ≤ 0,13–0,15 pour Dᵘ et de |xᵈyᵈ| ≤ 0,022 avec |yᵈ| ≤ 0,17 à |xᵈ| ≤ 0,15–0,17 pour Dᵈ, les deux avec une masse de Mᴰ = 600 GeV. De plus, l’analyse des données pour la production d’un seul quark top montre que la réduction de l’espace de phase des pᵀ peut améliorer encore plus ces contraintes. / The Standard Model of particle physics explains with great success how fundamental particles interact. However, this model cannot explain some contemporary challenges of the domain, such as the large number of free parameters, the hierarchy problem or the identity of dark matter. To explain these phenomena, we need to search for physics beyond the Standard Model. In order to satisfy the existing constraints from experimental measurements, we can consider the addition of a single new particle to the Standard Model that couples to two quarks, a diquark. Its contribution to hadronic processes offers an opportunity to set limits on its parameters from contemporary experimental data. This would allow us to evaluate their potential and identify processes to which they can contribute. Among the possible diquark states, we find the scalar diquarks Dᵘ and Dᵈ, which have an antisymmetric coupling to pairs of right-handed up-type or down-type quarks, respectively. To obtain constraints on their mass Mᴰ and on their couplings to quarks (x^q, y^q), where q = u, d, is the main goal of this work. In order to do so, we start by considering direct searches in the production of dijet, the experimental signature of the decay of these particles. Afterwards, we probe the indirect influence of the Dᵘ diquark to the experimental measurements of the single-top-production cross section. Recent data for both of these processes from the Large Hadron Collider (LHC) is used to compare the theoretical predictions of these models and quantify their viability by providing new constraints on its parameters. We are able to improve the constraints found in the literature from |xᵘ| ≤ 14.4 to |xᵘ| ≤ 0.13–0.15 for Dᵘ and from |xᵈyᵈ| ≤ 0.022 to |yᵈ| ≤ 0.17 to |xᵈ| ≤ 0.15–0.17 for Dᵈ, both with masses of Mᴰ = 600 GeV. Other than that, the analysis of the data from single top production shows that the reduction of the pᵀ space can further improve these constraints.