This work presents a study of the discovery potential for the neutral supersymmetric Higgs bosons h/A/H decaying to tau pairs with the ATLAS experiment at the LHC. The study is based on Monte Carlo samples which are scaled to state-of-the-art cross sections. The analyses are designed assuming an integrated luminosity of 30 1/fb and a center-of-mass energy of sqrt(s) = 14 TeV. The results are interpreted in the mmax h benchmark scenario. Two final states are analyzed: The dileptonic channel where the two tau leptons decay to electrons or muons and the lepton-hadron channel where one tau decays to an electron or muon and the other tau decays to hadrons. The study of the dilepton channel is based completely on the detailed ATLAS simulation, the analysis of the lepton-hadron channel is based on the fast simulation. The collinear approximation is used to reconstruct the Higgs boson mass and its performance is studied. Cuts are optimized in order to discriminate the signal from background and to maximize the discovery potential given a certain Higgs boson mass hypothesis. In the lepton-hadron channel the selection is split into two analyses depending on the number of identified b-jets. Procedures to estimate the dominant backgrounds from data are studied. The shape and normalization of the Z to tautau background are estimated from Z to leptonlepton control regions. The ttbar contributions to the signal regions are estimated from ttbar control regions. The individual analyses are combined and sensitivity predictions are made depending on the Higgs boson mass mA and the coupling parameter tanβ. The light neutral MSSM Higgs bosons with mA = 150 GeV can be discovered when at least tanbeta = 11 is realized in nature. The heavy neutral MSSM Higgs bosons with mA = 800 GeV can be discovered for tanbeta ≥ 44. However, due to the large width of the reconstructed Higgs boson mass and the mass degeneration, only the sum of at least two of the three Higgs boson signals will be visible.

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.

Diese Arbeit beschreibt die Messung von Ereignissen mit einem oder mehreren Photonen und fehlender Energie im Endzustand wie sie in Elektron-Positron-Wechselwirkungen entstehen. Mit den Ergebnissen wurde der Wirkungsquerschnitt der Neutrinopaarproduktion gemessen und die Anzahl leichter Neutrinosorten bestimmt. Es wurde nach verschiedenen Prozessen "Neuer Physik" gesucht, bei denen Photonen und fehlende Energie im Endzustand auftreten. Diese Prozesse beinhalten die Erzeugung supersymmetrischer Teilchen, fermiophobischer Higgsbosonen und massiver Gravitonen. Die Analyse wurde mit einem Datensatz durchgefuehrt, der mit dem L3-Detektor am LEP-Beschleuniger bei Schwerpunktsenergien zwischen 130 GeV und 190 GeV aufgezeichnet wurde und der einer Luminositaet von 265 1/pb entspricht. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion Elektron Positron geht nach Neutrino Antineutrino Photon (Photon) mit einer Photonenenergie groesser als 5 GeV und einem Photonstreuwinkel relativ zur Strahlachse groesser als 14 Grad bei einer Schwerpunktsenergie von 189 GeV wurde zu (5.25 +- 0.22 +- 0.07) pb bestimmt. Hieraus wurde der totale Wirkungsquerschnitt fuer Neutrinopaarproduktion extrapoliert mit einem Ergebnis von (58.3 +- 2.7) pb. Die Energiespektren der Photonen wurden benutzt um die Anzahl leichter Neutrinogenerationen zu berechnen. Das Ergebnis lautet 3.05 +- 0.11 +- 0.04, welches sich in guter Uebereinstimmung mit der Hypothese von drei leichten Neutrinoarten befindet und das Standardmodell mit seinen drei Teilchenfamilien untermauert.Da kein Anzeichen neuer Physik festgestellt wurde, konnten obere Grenzen auf Produktionswirkungsquerschnitte neuer Teilchen abgeleitet und die erlaubten Massenbereiche solcher Teilchen unter der Annahme von drei Neutrinosorten eingeschraenkt werden. Falls das Gravitino das leichteste supersymmetrische Teilchen ist und sich die Massen aller anderen SUSY-Teilchen ueber der Produktionsschwelle befinden, koennte Gravitinopaarproduktion der einzige SUSY-Teilchen beinhaltende Prozess bei LEP sein. Aus einer Analyse der Reaktion Elektron Positron geht nach Gravitino Gravitino Photon konnte ein unteres Limit auf die Gravitinomasse von 8.9 mal 10 hoch -6 eV mit 95% Konfidenzniveau auf die Gravitinomasse bestimmt werden. Es wurden sowohl fuer die Produktion von Neutralino Gravitino und Neutralino Neutralino und nachfolgenden Zerfall Neutralino geht nach Gravitino Photon, als auch fuer die Produktion von leichtestem und zweitleichtestem Neutralino bzw. Paarproduktion von zweitleichtestem Neutralino und Zerfall desgleichen nach leichtestem Neutralino und Photon obere Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt in Abhaengigkeit der Masse der beteiligten Teilchen gesetzt. Innerhalb von Modellen der durch Eichbosonen vermittelten Supersymmetriebrechung wurde unter der Annahme, dass das leichteste Neutralino das zweitleichteste supersymmetrische Teilchen ist, eine untere Grenze auf die Neutralinomasse von 88.2 GeV mit 95% Konfidenzniveau abgeleitet.Zur Suche nach fermiophobischen Higgsbosonen wurde der Prozess Elektron Positron geht nach Higgs Z geht nach Photon Photon Neutrino Antineutrino analysiert. Es wurden Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt und auf das Verzweigungsverhaeltnis des Higgs nach Photonpaaren bestimmt. Eine untere Grenze auf die Higgsmasse von 89.9 GeV mit 95% Konfidenzniveau wurde fuer ein solches Higgsboson ermittelt. Die Suche nach der Erzeugung massiver Gravitonen in Quantengravitationsmodellen mit zusaetzlichen raeumlichen Dimensionen wurde anhand der Reaktion Elektron Positron geht nach Photon Graviton durchgefuehrt. Untere Grenzen auf die Energieskala zwischen 1018 GeV und 349 GeV fuer zwei bis zehn zusaetzliche Dimensionen wurden bestimmt. Deren Groesse wurde auf hoechstens 0.46 mm fuer zwei und auf maximal 8.3 mal 10 hoch -13 mm fuer zehn zusaetzliche Dimensionen begrenzt. / This thesis describes a measurement of single and multi-photon events with missing energy in electron-positron interactions. The results have been used to measure the neutrino pair-production cross section and to determine the number of light neutrino species. A search for various kinds of new physics processes involving photons and missing energy in the final state like the production of supersymmetric particles, a fermiophobic Higgs boson and massive gravitons has been carried out.The analysis has been performed using data collected with the L3 detector at LEP at centre-of-mass energies between 130 GeV and 190 GeV corresponding to a total luminosity of 265 1/pb. The cross section of the process electron positron to neutrino anti-neutrino photon (photon) for a photon energy larger than 5 GeV and a photon scattering angle with respect to the beam axis larger than 14 degrees at a centre-of-mass energy of 189 GeV has been measured to be (5.25+- 0.22 +- 0.07) pb and has been extrapolated to a total cross section for neutrino pair-production yielding (58.3 +- 2.7) pb. The measured photon energy spectra have been used to derive the number of light neutrino species. The combined value determined from all data analysed in this thesis is 3.05 +- 0.11 +- 0.04, which is in good agreement with the hypothesis of three light neutrino types and supports the Standard Model with its three generations of particles.Since no indication for the appearance of new physics processes has been found, upper limits on cross sections of new particle production have been set and lower limits on particle masses have been derived assuming three neutrino generations. If the gravitino is the lightest supersymmetric particle and all other SUSY particles are too heavy to be created at LEP energies, gravitino pair-production could be the only process involving SUSY particles accessible at LEP. From an analysis of the process electron positron to gravitino gravitino photon, a lower limit of 8.9 times 10 to the power -6 eV has been determined at the 95% confidence level. Cross section limits have been set depending on the masses of the particles involved in neutralino gravitino production and neutralino pair-production and neutralino decay to gravitino and photon, and for the production of the lightest and second lightest neutralino and pair-production of the second lightest neutralino and its decay to lightest neutralino and photon. Within the framework of gauge-mediated supersymmetry breaking a lower limit on the neutralino mass of 88.2 GeV at the 95% confidence level has been derived under the assumption that the lightest neutralino is the second lightest supersymmetric particle. Fermiophobic Higgs bosons have been searched for investigating the process electron positron to Higgs Z to photon photon neutrino anti-neutrino. Cross section bounds on this process have been determined depending on the Higgs mass and limits on the branching ratio of the Higgs decaying into photons have been derived. A lower mass limit for such a fermiophobic Higgs boson is set to 89.9 GeV at the 95% confidence level.A search for the production of massive gravitons in quantum gravity models with extra spatial dimensions has been performed investigating the process electron positron to graviton photon. Lower limits on the energy scale ranging from 1018 GeV to 349 GeV have been derived at the 95% confidence level for two to ten extra dimensions. Their size has been limited to at most 0.46 mm and to at most 8.3 times 10 to the power -13 mm for two and ten extra dimensions, respectively.

Die konforme Feldtheorie findet in verschiedenen Bereichen Anwendungen, von statistischen Systemen in der Nähe kritischer Punkte bis hin zur Quantengravitation durch die AdS/CFT-Korrespondenz. Diese Theorien unterliegen starken Einschränkungen, die eine systematische nicht-perturbative Analyse ermöglichen. Konforme Defekte bieten eine kontrollierte Möglichkeit, die Symmetrie zu brechen und neue physikalische Phänomene einzuführen, während wichtige Vorteile der zugrunde liegenden konformen Symmetrie erhalten bleiben. Diese Dissertation untersucht konforme Liniendefekte sowohl im schwachen als auch im starken Kopplungsregimes. Es werden zwei verschiedene Klassen von Modellen untersucht. Wir konzentrieren uns zuerst auf die supersymmetrische Wilson-Linie in N = 4 Super Yang-Mills, die als ideales Testfeld für die Entwicklung innovativer Techniken wie dem analytischen konformen Bootstrap dient. Die zweite Klasse besteht aus magnetische Linien in Yukawa-Modellen, die faszinierende Anwendungen in 3d kondensierten Materiesystemen haben. Diese Systeme haben das Potenzial, Phänomene des Standardmodells in einem Niedrigenergieszenario nachzubilden. / Conformal field theory finds applications across diverse fields, from statistical systems at criticality to quantum gravity through the AdS/CFT correspondence. These theories are subject to strong constraints, enabling a systematic non-perturbative analysis. Conformal defects provide a controlled means of breaking the symmetry, introducing new physical phenomena while preserving crucial benefits of the underlying conformal symmetry. This thesis investigates conformal line defects in both the weak- and strong-coupling regimes. Two distinct classes of models are studied. First, we focus on the supersymmetric Wilson line in N = 4 Super Yang–Mills, which serves as an ideal testing ground for the development of innovative techniques such as the analytic conformal bootstrap. The second class consists of magnetic lines in Yukawa models, which have fascinating applications in 3d condensed-matter systems. These systems have the potential to emulate phenomena observed in the Standard Model in a low-energy setting.

In dieser Arbeit stellen wir verschiedene Tests der (M)atrixtheorie-Vermutung vor. Die (M)atrixtheorievermutung besagt, dass die Dynamik von M-Theorie, der Urtheorie, die alle bekannten Stringtheorien und auch elfdimensionale Supergravitation als bestimmte Grenzfaelle enthalten soll, durch ein quantenmechanisches Matrixmodell gegeben ist. Insbesondere untersuchen wir Streuprozesse sowohl aus Sicht des Matrixmodells, als auch aus Sicht der Supergravitation, und vergleichen die resultierenden S-Matrixelemente. Wir finden beeindruckende Uebereinstimmung zwischen den beiden Theorien, solange wir uns auf klassische Supergravitation beschraenken. Sobald wir auch Quanteneffekte auf der Supergravitationsseite einbeziehen, hat diese Uebereinstimmung keinen Bestand. Des weiteren untersuchen wir die Frage, ob Loesungen der klassischen Matrixmodell-Bewegungsgleichungen mit Impulsuebertrag existieren, und finden eine negative Antwort. / In this thesis, we present several tests of the M(atrix)-Model conjecture that asserts that the dynamics of M-Theory, the eleven-dimensional Ur-theory containing all known string theories and also eleven-dimensional supergravity in specific limits, is given by a quantum mechanical matrix model. In particular, scattering processes are analyzed both from the M(atrix)-Model and from the supergravity perspective and the corresponding S-matrix elements are compared. We find impressive agreement between these two theories as long as only classical supergravity is considered. If one includes also quantum effects on the supergravity side, the agreement does not persist. In addition to these calculations, the question of the existence of classical solutions to the M(atrix)-Model equations of motion with momentum transfer is addressed and answered negatively.

Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.

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The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.:Kurzfassung v Abstract vii Contents ix 1 Introduction 1 2 Theoretical Framework 3 2.1 The Standard Model of Particle Physics 3 2.1.1 Particles, Fields and Interactions 3 2.1.2 Gauge Theory in a Nutshell 6 2.1.3 Brout-Englert-Higgs Mechanism 9 2.2 Supersymmetry 11 2.2.1 Sources of Supersymmetry Breaking 20 2.2.2 Two Higgs Doublet Model 21 2.2.3 Charged Higgs Boson Production and Decay 22 2.3 Current Status of charged Higgs Boson Searches 24 3 Monte Carlo Simulation 33 3.1 Methodology of Monte Carlo Simulation 33 3.2 Monte Carlo Simulation for Electron to t Mis-identification Analysis 35 3.3 Monte Carlo Simulation for H± Analysis with Data taken 2010 35 3.4 Monte Carlo Simulation for H± Analyses with Data taken 2011 37 4 LHC and the ATLAS Detector 41 4.1 The Large Hadron Collider 41 4.2 The ATLAS Detector 42 4.2.1 Magnet Systems 46 4.2.2 Inner Detector 47 4.2.3 Calorimeter Systems 50 4.2.4 Muon Spectrometer 60 4.2.5 Forward Detectors 61 4.2.6 Trigger and Data Acquisition 63 4.3 Data Taking 67 5 Event Selection and Data-Driven Background Estimation Techniques 73 5.1 Event Cleaning 74 5.2 Trigger for the Charged Higgs Boson Analyses 74 5.2.1 Trigger for the thad+Lepton and tlep+Jets Channels 75 5.2.2 Trigger for the thad+Jets Channel 77 5.3 Physics Object Reconstruction 77 5.3.1 Muons 77 5.3.2 Electrons 77 5.3.3 Jets 78 5.3.4 b-Tagging 79 5.3.5 Hadronically decaying t Leptons 79 5.3.6 Missing Transverse Momentum 79 5.3.7 Removal of Geometric Overlaps between Objects 80 5.4 Selection and Cut Optimisation 80 5.4.1 thad+Lepton Analysis Selection 80 5.4.2 tlep+Jets Analysis Selection 82 5.4.3 thad+Jets Analysis Selection 83 5.5 Background Estimations 84 5.5.1 Measurement of the t Lepton Mis-identification Probability from Electrons 84 5.5.2 Backgrounds with Electrons and Jets Mis-identified as t Leptons 88 5.5.3 Embedding Method 92 5.5.4 Multi-Jet Background 92 5.5.5 Backgrounds with Mis-identified Leptons 93 6 Direct Searches for the Charged Higgs Boson 95 6.1 Analysis of the thad+Lepton Channel 95 6.2 Analysis of the tlep+Jets Channel 95 6.3 Analysis of the thad+Jets Channel 98 6.4 Systematic Uncertainties 101 6.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 101 6.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 103 6.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 103 6.5 Results 107 7 Indirect Search for the Charged Higgs Boson – The Ratio-Method 111 7.1 Ratio-Method: A Re-Analysis of the thad+Lepton Channel 111 7.2 Event Selection 112 7.3 Measured Event Yield Ratios 115 7.4 Systematic Uncertainties 115 7.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 115 7.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 115 7.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 118 7.5 Results 119 7.5.1 Upper Limits obtained from Results of the Ratio-Method 119 7.5.2 Combination of Upper Limits obtained from Direct Searches for Charged Higgs Bosons in the thad+jets final state and the Ratio-Method Results 124 8 Comparison and Discussion of the Results 131 9 Summary and Outlook 137 A Monte Carlo Simulation Samples 141 A.1 Monte Carlo Simulation Samples for 2010 Analyses 141 A.1.1 Monte Carlo Simulation Samples for the Electron to t Lepton Mis-identification Analysis 141 A.1.2 Monte Carlo Simulation Samples for the H± Analysis 143 A.2 Monte Carlo Simulation Samples for 2011 Analyses 147 A.2.1 Monte Carlo Samples for H± Ratio-Method Search Analysis 147 List of Figures 149 List of Tables 153 Bibliography 155 Acknowledgements 179