Le thème des analyses présentées dans ce document est la mesure des propriétés du boson de Higgs se désintégrant dans le mode H→ZZ→4l dans l'expérience ATLAS au CERN. Le document commence par un résumé détaillé concernant la procédure d'étalonnage des électrons: l'algorithme de combinaison trace-cluster améliore la résolution en énergie (surtout pour les électrons ayant une faible énergie transverse) en exploitant les informations du cluster et de la trace dans un ajustement par maximum de vraisemblance. L'amélioration en résolution est approximativement de 18-20% pour les désintégrations du J/Ψ en di-électrons, et 3% pour Z→ee. Par la suite, la combinaison E-p est appliquée au canal H→ZZ→4l avec électrons dans l'état final permettant d’obtenir un gain modéré sur la distribution de la masse invariante (4-5%). En deuxième lieu, la masse du boson de Higgs et sa largeur sont estimées, en particulier afin de comprendre les effets apportés par l'utilisation de l'algorithme de combinaison trace-cluster. La masse a été calculée en se servant d'un ajustement à deux dimensions appliqué sur la masse invariante m4l et un score de discrimination du signal contre le bruit de fond ZZ*. Cette discrimination est obtenue en exploitant les corrélations angulaires dont les distributions sont sensibles au spin et à la parité du boson de Higgs. L’étude sur la largeur du boson est ensuite détaillée : les résultats sont basés sur une approche qui vise à contraindre cette largeur en analysant la région de haute masse m4l où le boson de Higgs se comporte comme un propagateur. La section efficace au pic de la résonance (« on-shell ») dépend de la largeur totale du boson de Higgs, ce qui n’est pas le cas pour la production dans la région de haute masse (« off-shell »). Par conséquent, des limites indirectes sur la largeur peuvent être déterminées en combinant les régions « on-shell » et « off-shell ». Une limite à 6.7 fois la largeur Higgs ΓSMH est obtenue via le canal 4l. En combinant la mesure « on-shell » avec tous les canaux de désintégration étudiés (notamment ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν), les résultats aboutissent à une limite observée (attendue) sur la largeur totale de 22.7 (33.0) MeV. La dernière partie de ce travail de thèse est consacrée à l'analyse sur la largeur du boson de Higgs en quatre leptons à haute (High-Luminosity LHC) luminosité intégrée (respectivement 300 fb⁻¹ et 3000 fb⁻¹) : il s’agit d’une étude extrapolant à √s =14 TeV les techniques utilisées pour l’analyse à 8 TeV (Run 1). / The theme of the analyses presented in this Thesis is the measurement of the Higgs boson properties in the H→ZZ→4l decay channel with the ATLAS experiment at the LHC. A detailed overview on the electron calibration process is first presented. In this regard, the track-cluster combination algorithm is found to improve the energy resolution of low ET electrons by exploiting both track and cluster information into a maximum likelihood fit. The improvement in resolution is approximately 18-20% for J/Ψ dielectron decays, and of the order of 3% for Z→ee events. In addition, the E-p combination algorithm has also been applied to the H→ZZ→4l channel with electrons in the final state resulting in a non-negligible gain on the invariant mass distribution (4-5%). Secondly, the Higgs mass and its total width are evaluated in the H→ZZ→4l channel. The Higgs mass is measured in the 4l decay channel with particular interest on the beneficial effects brought by the improved electron calibration and the track-cluster combination. The mass on the full 2011 and 2012 datasets is worked out with a 2-dimensional fit on the invariant mass of the 4 lepton final state, m4l, and on a boosted decision tree (BDT)-based output conceived against the main ZZ irreducible background and constructed on variables that are sensitive to the Higgs boson spin-parity state. Regarding the Higgs width, results are based on a relatively recent approach aimed at indirectly constraining the Higgs boson width by exploiting the m4l high-mass region where the Higgs boson acts as a propagator. The Higgs production cross section in the on-shell m4l region, where the Higgs boson is a resonance, depends on the total Higgs width, whereas this is not the case for the high mass m4l (off-shell). Limits on the Higgs width can be therefore set when merging the off-shell results with the on-shell ones. A limit of ∼ 6.7 times ΓSMH is obtained in the four lepton channel. Secondly, by combining with the on-shell measurement and using all the decay channels in the analysis, i.e. ZZ→4l, ZZ→2l2ν and WW→lνlν, the results lead to an observed (expected) 95% C.L. upper limit on the Higgs boson total width of 22.7 (33.0) MeV (4.2 MeV is the Standard Model predicted Higgs width at mH=125 GeV).The last section of the thesis is devoted to the evaluation of the Higgs width at √s=14 TeV in the high luminosity scenario (High Luminosity LHC), 300 fb⁻¹ and 3000 fb⁻¹, by employing the same techniques exploited in the previous Run 1 analysis at √s=8 TeV.

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En juillet 2012, le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs qui est la dernière particule manquante du Modèle Standard (MS). Le boson de Higgs a été observé dans différents canaux. La mesure précise de ses propriétés est maintenant très importante pour rechercher des déviations par rapport au SM. Cette thèse présente une recherche du boson de Higgs produit en association avec une paire de quarks top et se désintégrant en une paire de b quark, le canal ttH(H → bb) , en utilisant les données de collisions proton-proton à √s = 13 TeV, collectées avec le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Ce document détaille en particulier la reconstruction du systéme ttH et la séparation du signal du bruit de fond principal tt + jets. Des études récentes montrent qu'il existe une fraction importante du bruit de fond ttbb avec des jets contenant deux hadrons b. Un nouvel algorithme a été développé pour séparer ces jets des jets contenant un seul b-hadron. La description de cet outil est présenté dans cette thèse. / In July 2012, CERN announced the discovery of the Higgs boson, the last missing piece of the Standard Model (SM). The Higgs boson was observed in different channels. Precise measurement of its properties is now very important to investigate for possible deviations from the SM. This thesis presents a search for the Higgs boson produced in association with top quarks and decaying to a b quark pair, the ttH(H→bb) channel, using proton-proton collisions at √s = 13 TeV, collected with the ATLAS detector in 2015 and 2016. This document details in particular the full reconstruction of the ttH(H→bb) system and the discrimination between signal and the main background, tt+jets. The ttbb is a subset of the tt+jets backgrounds recent studies show that there is a large fraction of ttbb events with jets containing two b-hadrons. A new algorithm has been developed to discriminate such jets from single b-hadrons jets. The description of this tool is presented in this thesis.

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.

This thesis presents an analysis of misidentified leptons in the Higgs boson decaychannel H → W W ∗ → lνlν. Misidentified leptons, resulting from jets misidentifiedas leptons, mimic the signal of a Higgs boson decay, resulting in a backgroundcontribution to the signal. The analysis is performed on proton-proton collisions ata center-of-mass energy of 13.6 TeV recorded by the ATLAS experiment at CERN’sLarge Hadron Collider. The estimation of misidentified leptons is done using theso-called Fake Factor method, which is used to assess the contributed backgroundwith misidentified leptons in the signal region. The Fake Factor values increasewith increasing momenta for misidentified electrons while it remains constant formisidentified muons. An analysis of the impact parameters d0 and z0 show thatthe accuracy of the Monte Carlo simulation to correctly predict the contribution ofmisidentified leptons from heavy quarks is high. / Denna avhandling presenterar en analys av felaktigt identifierade leptoner i Higgsbosonens sönderfallskanal H → W W ∗ → lνlν. Felaktigt identifierade leptoner frånhadroner imiterar signalen av ett sönderfall från en Higgs boson, vilket resulterar ibakgrund till signalen. Analysen utförs på proton-proton kollisioner med energier på13.6 TeV som samlats in av ATLAS-experimentet vid CERNs Large Hadron Collider.Denna avhandling fokuserar främst på uppskattningen av felaktigt identifieradeleptoner genom användningen av Fake Factor-metoden, vilket används för att bedömaden bidragande bakgrunden med felidentifierade leptoner i signalregionen. Värdenaför Fake Factors ökar med ökande rörelsemängd för felidentifierade elektroner medanför det förblir konstant för felidentifierade muoner. En analys av ”impact parameters”d0 och z0 visar att Monte Carlo-simuleringens noggrannhet att uppskatta antaletfelidentifierade leptoner från tunga kvarkar är hög.

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 Suche nach assoziierter Produktion eines Higgsbosons und eines Top-Quark Paares in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Für diese Analyse wurden Ereignisse analysiert, die exakt zwei Leptonen mit gleichem Ladungsvorzeichen oder exakt drei Leptonen enthalten und daher auf die Higgs Zerfallsmoden in H->WW, H->ZZ und H->tautau sensitiv sind. Die Daten wurden mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider (LHC) in den Jahren 2015-17 aufgezeichnet. Der grösste Untergrund in beiden Kanälen stammt aus assoziierter Produktion von Vektorbosonen mit einem Top-Quark Paar (ttW und tt(Z/gamma)), Dibosonproduktion und Ereignisse, die Photonen und Hadronen, die fehlerhaft als Leptonen identifiziert wurden, erhalten oder Leptonen, die aus Zerfällen von Hadronen stammen. Der Leptonuntergrund wurde mit einer neuen Methode abgeschätzt, die auf separaten Kategorien für jeden Produktionsmodus des Leptonuntergrundes basiert. Der Beitrag jeder Kategorie wird in verschiedenen Kontrollregionen aus dem Vergleich von Daten mit der Simulation bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen ttH Wirkungsquerschnitts zu der Vorhersage des Standardmodells und die Normierungsfaktoren des Untergrundes werden gleichzeitig in einem Profile-Likelihood-Fit bestimmt. Das Verhältnis des gemessenen zum erwarteten ttH Wirkungsquerschnitts, unter der Annahme einer Higgsbosonmasse von 125 GeV, wurde zu 0.88(+0.54/-0.51) mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.80 (2.52) Standardabweichungen gemessen. Das entspricht einem geschätzten Wirkungsquerschnitt für die ttH Produktion von 446(+241/-227) fb, in Übereinstimmung mit der Standardmodellvorhersage von 507(+35/-50) fb. / This thesis describes the search for the associated production of a Higgs boson and a top-quark pair in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis focuses on events containing two leptons with same-sing electric charge or exactly three leptons in the final state. With these requirements, the analysis is sensitive to the H->WW, H->ZZ and H->tautau Higgs decay modes. The used data was recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC) during the 2015-17 period. The primary sources of background were found to be ttW, tt(Z/gamma), Diboson processes and events containing fake or non-prompt leptons coming from hadron decays, photon conversions and electron charge mis-identification. The estimation of the hadron decay and photon conversion fake backgrounds was performed using a novel semi-data driven technique where Monte Carlo background categories are created for each fake process of interest. A profile likelihood fit to data is then used to extract a normalization factor for each fake category, which are used to correct the Monte Carlo predictions. The ratio of the measured ttH signal cross-section to the Standard Model expectations and a normalization factor for the ttW process are extracted simultaneously from the same fit. The measured to expected cross-section ratio for a Standard Model Higgs boson of mass 125 GeV was found to be 0.88(+0.54/-0.51) with an observed (expected) significance of 1.80 (2.52) standard deviations. This corresponds to an estimated ttH cross-section of 446(+241/-227) fb, in agreement with the Standard Model prediction of 507(+35/-50) fb.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 bestätigt das Standardmodell als die erfolgreichste Theorie, die die grundlegenden Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreibt. Eine der wichtigen Eigenschaften des Higgs-Bosons ist seine Yukawa-Kopplung an das Top-Quark, die aufgrund der hohen Masse des Quarks im Standardmodell am stärksten ist. Diese Arbeit berichtet über eine Messung der Top-Yukawa-Kopplung mit Daten, die vom ATLAS-Detektor von 2015 bis 2018 bei einem Massenschwerpunkt von 13 TeV aufgezeichnet wurden. Die Kopplung wird in ttH(bb)-Ereignissen untersucht, einem Endzustand, der die Zerfälls-produkte von zwei Top-Quarks enthält und in dem zusätzlich ein Higgs-Boson emittiert wird, welches in Bottom-Quark-Paar zerfällt. Dieser Zerfallskanal des Higgs-Bosons hat das größte Verzweigungsverhältnis, wird jedoch durch die Beschreibung des dominanten Untergrundprozesses ttbb, ein Top-Quark-Paar mit zwei zusätzlichen b-Quarks im Endzustand systematisch beschränkt. Die Messung nutzt die Fähigkeit des ATLAS-Detektors, Jets von einem b-Quark zu identifizieren, um Analysebereiche mit verschiedenen Zusammensetzungen von Signal und Untergrund zu konstruieren. Um das Signal weiter zu separieren, wird eine Reihe von multivariaten Algorithmen verwendet und der ttH-Prozess wird unter Verwendung eines Profile-Likelihood-Fits extrahiert. Die Ergebnisse werden für den Kanal mit einem einzelnen Lepton im Endzustand und für eine Kombination mit dem Dilepton-Kanal gezeigt. Die Untergrundgenauigkeit wird im Detail untersucht, wobei große Fehlmodellierungen festgestellt werden. Das gemessene Verhältnis der ttH-Produktion zur Standardmodell-Vorhersage beträgt mu(ttH) = 0,84+0,45- 0,39 (syst.) +-0,21 (stat.). Das Ergebnis stimmt mit der Vorhersage des Standardmodells überein und entspricht einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1,9 sigma (2,3 sigma), eine Verbesserung gegenüber der vorherigen ATLAS-Messung, bei der eine Signifikanz von 1,4sigma (1,6 sigma) ermittelt wurden. / The discovery of the Higgs Boson in 2012 confirms the Standard Model as the most successful theory describing the fundamental interactions of elemental particles. One of the important properties of the Higgs boson is its Yukawa coupling to the top quark, which in the Standard Model is the strongest due to the high mass of the quark. This thesis reports on a measurement of the top-Yukawa coupling with data collected by the ATLAS detector from 2015 to 2018 at 13 TeV center of mass energy. The coupling is studied in ttH(bb) events, a final state containing decay products of two top quarks with additional emission of a Higgs boson, where the Higgs decays into a pair of bottom quarks. This decay channel of the Higgs Boson has the largest branching ratio, but is systematically limited by the description of the dominant background process ttbb, a tt with additional two b quarks in the final state. The measurement takes advantage of the ability of the ATLAS detector to identify jets coming from a b quarks to construct analysis regions with various compositions of the signal and the background. To further separate the signal, a series of multivariate algorithms is employed and the ttH process is then extracted using a profile likelihood fit. The results are shown for the channel with a single lepton in the final state and for a combination with the dilepton channel. The background performance is studied in detail, where large mis-modeling is found. The measured ratio of the ttH production compared to the Standard Model prediction is found to be mu(ttH) = 0.84 +0.45 -0.39 (syst.) +-0.21 (stat.). The result is in agreement with the Standard Model prediction and corresponds to an observed (expected) significance of 1.9 sigma (2.3 sigma), an improvement compared to the previous ATLAS measurement which reported 1.4 sigma (1.6 sigma).

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.

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