Title: Monte Carlo Simulations of the Tile Calorimeter and Measurement of the Z → ττ Cross Section with the ATLAS Detector Author: Mgr. Jana Nováková Department: Institute of Particle and Nuclear Physics (IPNP) Supervisor: RNDr. Tomáš Davídek, PhD., IPNP Supervisor's e-mail address: davidek@ipnp.troja.mff.cuni.cz Abstract: The Monte Carlo simulations of the Tile calorimeter in the ATLAS experiment at the LHC, especially the electronic noise and multiple interactions (co-called pile-up), are discussed in the thesis. A good agreement in the cell energy distribution between data and Monte Carlo simulations is found. The cross section measurement of Z → ττ events with the ττ invariant mass between 66 and 116 GeV with the ATLAS experiment is described in the next part of the thesis. Data samples collected during 2011 corresponding to the integrated luminosity of 1.34 - 1.55 fb−1 are used for the analysis. The measurements are performed in three different final states depending on the decay mode of the τ leptons. The measurement in the channel with one τ lepton decaying leptonically into the electron + neutrinos (schematically τ → e + νe + ντ ) and the other one hadronically (schematically τ → hadrons + ντ ), especially the calculation of the nominal cross section and the evaluation of the systematic...

The thesis deals with Tilecal hadron calorimeter, which is part of the ATLAS detector at the LHC at CERN. Main area of interest is a time calibration of the detector, which is necessary to accurately determine the energy especially of jets produced as a result of precipitation collisions of protons. Based on obtained experimental data from 2011 thoroughly explored the relationships between the time of arrival of the particles into the cells of the detector and their energies, or the distance from the given objects. By describing the time calibration, one can correct originally obtained time constants. Description and resolution of time jumps in timing of channels are part of the thesis, corrections of identified examples are included. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

The ATLAS experiment is one of the two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) in Switzerland. ATLAS is designed for precision mea- surements of particle properties, the search of the Higgs boson and new physics beyond the Standard Model. The experiment got worldwide atten- tion in 2012, when after the collaborative efforts with the CMS experiment the Higgs boson discovery was announced. After the discovery, the preci- sion measurements of its properties became one of the main objectives of the LHC physics programme, since a potential observation of deviations from the Standard Model predictions might lead to the discovery of new physics. In this thesis, the measurements of the Higgs boson production cross-sections in the H → ττ decay channel are presented. Based on the proton-proton collision data collected at the centre-of-mass energy of 13 TeV in years 2015 and 2016, the signal over the expected background from the other Standard Model processes is established with the observed significance of 4.4σ. Com- bined with the data collected at 7 and 8 TeV, the observed signal significance amounts to 6.4σ, which constitutes a single experiment observation of the H → ττ decays by ATLAS. All presented results are found to be consistent with...

Tile Calorimeter modules are regularly tested in the CERN SPS North Area, as they are an integral part of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. In this thesis, test beam data from November 2018 were used for two separate analyses. Muon SPS H8 beam allowed for the review of radial electromagnetic cali- bration in the extended barrel module EBC65. Data from November 2018 test beam confirmed the correctness of previously established and used constants for rectifying uneven response in A, BC and D cell rows. In the second analysis, hadron beam from the SPS accelerator impinging on the Tile Calorimeter modules in the projective geometry was utilized. It served to determine the distribution of the mean energy in the calorimeter for hadronic showers in Tile Calorimeter at η varying from −0.05 up to −0.65. 1

The ATLAS experiment is one of the two general-purpose detectors at the Large Hadron Collider at CERN near Geneva. The goals of this particle physics experiment are the search for new physics phenomena and precision measurement of the particle interactions. Tilecal is the central hadronic calorimeter of the ATLAS. The calorimeter time calibration is important for the time-of-flight measurement of particles (used in some analyses) as well as for the actual energy reconstruction. 1

The Large Hadron Collider at CERN is scheduled to undergo upgrades in 2026-2028 to significantly increase its luminosity. These upgrades, while providing the experiments with a higher collision rate, pose a number of challenges to the design of the hardware and software in the detectors. The Tile Calorimeter (a scintillating sampling calorimeter read out by photomultiplier tubes) at the ATLAS experiment will have its read-out electronics completely replaced to enable performance and reliability improvements.  Advances in electronics, new requirements due to the luminosity upgrade as well as lessons learned from the current readout scheme drove development with the goals to partition the readout into small independent units with full granularity readout and a robust mitigation strategy for radiation induced errors. To verify the functionality of the new system while retaining backward compatibility a "Demonstrator'' has been developed to emulate the current functionality while using new and improved hardware. The board responsible for managing digitized calorimeter data and communicating with the off-detector electronics, called the DaughterBoard, is the main focus of this thesis. It has two electrically isolated sides for redundancy where each side consists of voltage regulators, two optical transceivers, a GigaBit transceiver chip (for clocking and configuration) and a Kintex FPGA for data processing. In addition to data management and transmission, the FPGA (and every other component) needs to be able to withstand the effects of radiation both in terms of total dose (ionization and displacement damage) and due to single event effects. The DaughterBoard was developed with this in mind and has undergone several radiation tests during its development to verify reliability and fault tolerance. / CERN

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.

En dépit de nombreuses confirmations expérimentales, le Modèle Standard, théorie décrivant les particules élémentaires et trois des interactions fondamentales souffre de difficultés théoriques et expérimentales. Ces dernières motivent l’existence d’une physique non décrite jusqu’alors : la Nouvelle Physique. Ce travail se focalise sur la recherche de gluons scalaires, appelés communément sgluons, nouvelles particules prédites dans plusieurs théories de Nouvelle Physique. Une étude phénoménologique considère les différents états finals (de un à quatre quarks top) et signatures (un ou deux leptons chargés) qui peuvent être engendrés par l’existence de sgluons. La sensibilité d’une expérience comme Atlas à ce signal est estimée et montre que l’un des états finals les plus prometteurs est celui contenant quatre quarks top, dans la signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique (électron ou muon). La recherche de sgluons dans l’expérience Atlas s’appuie sur les états finals à quatre quarks top dans une signature à deux leptons porteurs de la même charge électrique, des jets étiquetés b et de l’énergie transverse manquante. Elle représente la première recherche mondiale de sgluons dans cet état final. Les principaux enjeux de l’analyse (estimation des bruits de fond, optimisation de la sélection, interprétation statistique) sont détaillés. La comparaison avec les données enregistrées pendant la première partie de l’année 2012 (L = 14:3 fb..1) ne montre pas d’excès significatif. La limite inférieure sur la masse du sgluon est alors de 0.80+0:02..0:03 TeV. L’extension de cette analyse avec le lot complet de données enregistrées en 2012 par Atlas est également présentée dans ce document et permet une sensibilité accrue jusqu’à des masses de sgluons de 0:94 0:03 TeV. Ce document présente également les analyses et résultats relatifs à des études de performances. La première s’attache au système de hautes tensions du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur Atlas (TileCal). Elle conclut notamment, au regard des critères établis, que seuls 7 canaux de hautes tensions du TileCal (sur un total de 9852) ont un comportement problématique. La deuxième étude est liée à la réjection de l’effet d’empilement au moyen d’une sélection sur la variable JVF (Jet Vertex Fraction). L’efficacité de cette sélection, calculée dans les données et dans la simulation montre des différences, nécessitant l’apport d’une correction à la simulation. La détermination de facteurs correctifs et de leurs incertitudes systématiques associées est présentée dans ce document. / Despite its experimental confirmations, the Standard Model, which describes both the elementary particles and three of the fundamental interactions, has some theoretical and experimental limitations. As a consequence of these limitations, a Physics not described in the context of the Standard Model could exist : the New Physics. This work focuses on the search for scalar gluons, commonly dubbed sgluons, predicted in various New Physics theories. A phenomenological study considers various final states (containing between two and four top quarks) and signatures (with one or two charged leptons) that could arise from sgluon production. The sensitivity of an Atlas-like experiment to this signal is estimated and the results indicate that one of the most promising final states contains four top quarks in a signature with two charged leptons (electron or muon) of the same electric charge. The search for sgluons within the Atlas experiment uses the previous results. Thus, it only investigates the 4-top topology in a signature containing two same-sign charged leptons, b-jets and missing transverse energy. It represents the first search ever for sgluons in this final state. The main steps of the analysis (background estimation, selection optimisation and statistical interpretation) are detailed. The comparison with the data recorded in the first months of 2012 (L = 14:3 fb..1) shows no significant excess and is interpreted in terms of a limit on the sgluon mass. The latter is found to be 0.80+0:02..0:03 TeV. The extension of this analysis to the full 2012 Atlas dataset is also presented in this document and shows an increased expected sensitivity to sgluon masses up to 0:94 0:03 TeV. Finally, this document also presents the analyses and results of performance studies. The first one is related to the high voltage system of the Atlas Tile Calorimeter (TileCal). The main conclusion is that only 7 channels out of the 9852 TileCal ones are fond to be problematic. The second study focuses on the rejection of the pile-up effect by the means of a selection applied on the so-called JVF (Jet Vertex Fraction) variable. The efficiency of this selection is computed both in data and simulation and shows some differences that have to be corrected in the simulation. The derivation of the correction factors and their associated systematic uncertainties is detailed in this document.

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit trois des quatre interactions fondamentales et toutes ses prédictions ont été confirmées expérimentalement. Cependant, il reste encore des questions auxquelles le Modèle Standard ne peut répondre. Plusieurs pistes théoriques sont explorées et certaines prédisent de nouvelles particules se désintégrant en paire de quarks top-antitop qui pourraient être observé par le détecteur ATLAS auprès du collisionneur LHC.À partir de 2026, le LHC redémarrera après avoir fait l'objet d'une importante phase d'amélioration afin d'augmenter sa luminosité. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les études réalisées sur FATALIC, une puce qui a été proposée pour le remplacement de l'électronique frontale du calorimètre hadronique à tuiles d'ATLAS. Les études ont montré que FATALIC est capable de reconstruire les paramètres d'un signal analogique en utilisant trois canaux de gain et un changement de gain dynamique. Les simulations ont démontré que les performances attendues de la voie rapide de FATALIC entraient dans les spécifications demandées.Ensuite, a été présentée une recherche de nouvelles résonances se désintégrant en paire de quarks top-antitop, utilisant 36,1 fb-1 de données issues des collisions proton-proton à 13 TeV au LHC pendant les années 2015 et 2016. Cette recherche s'est concentrée sur le canal de désintégration semi-leptonique de la paire top-antitop, où l'état final possède une signature comprenant exactement un lepton, des jets hadroniques et de l'énergie transverse manquante. L'estimation du bruit de fond multi-jets a été présentée en détail. Une recherche dans le spectre de masse invariante de la paire top-antitop a été effectuée pour les deux topologies résolue et boostée et la compatibilité des données par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été testée. Aucune déviation significative par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été trouvée et des limites sur les sections efficaces de production de signaux issus des modèles considérés furent mises.Les difficultés rencontrées lors de l'estimation des bruits de fond et du pré-traitement des incertitudes systématiques pour l'analyse à 36,1 fb-1 ont motivé la recherche d'une nouvelle méthode pour l'estimation du bruit de fond globale. L'algorithme Décomposition Fonctionnelle (FD) est une nouvelle méthode permettant de rechercher de nouvelles particules dans un spectre de masse invariante, en séparant la contribution du bruit de fond de celles des contributions résonantes. FD a été testé dans le but de vérifier ses performances sur des pseudo-données des analyses top-antitop et « 4t BSM ». Dans un premier temps, des tests ont été menés sur la propension de FD à créer de faux signaux dans les spectres de masses invariantes. La première version s'est montrée sensible à ce problème. FD a ensuite été amélioré pour réduire la sensibilité à la création de faux signal. Enfin, des études d'injections de signal ont été réalisées et FD a montré des difficultés à modéliser la contribution du signal et à la séparer du bruit de fond pour des largeurs de signal supérieures à 3%. / The Standard Model of particle physics describes three of the four fundamental interactions and all of its predictions have been experimentally confirmed. However, there are still questions that the Standard Model cannot answer. Several theoretical models are being explored and some predict new resonances that would decay into a top-antitop quarks pair that could be observed by the ATLAS detector at the LHC collider.In 2026, the LHC will restart after a significant improvement phase to increase its luminosity. It's in this context that the studies on FATALIC, a chip that has been proposed for the replacement of the front-end electronics of the ATLAS hadronic tile calorimeter, were achieved. The studies showed that FATALIC was able to reconstruct the parameters of an analog signal using three gain channels and a dynamic gain switch. The simulations showed that the expected performance of FATALIC's fast channel was within the required specifications.Then, a search for new particles decaying into a top-antitop quarks pair was presented, using 36.1 fb-1 data from the proton-proton collisions at 13 TeV of the LHC for the years 2015 and 2016. This search concentrate on the semi-leptonic decay channel of the top-antitop quarks pair, where the final state has a signature with exactly one lepton, hadronic jets and missing transverse energy. The estimate of the multi-jets background noise was presented. A search in the top-antitop invariant mass spectrum was performed in the two topology resolved and boosted and the compatibility of the data with respect to the Standard Model predictions was tested. No significant deviation from the Standard Model's predictions was found and limits on benchmark models signal cross sections were set.The difficulties encountered in estimating the background noises and on the profiling of the systematic uncertainties for the 36.1 fb-1 analysis has motivated the search for a new method to perform the global background estimate. The Functional Decomposition (FD) algorithm is a new method to search for new particles in an invariant mass spectrum, separating the contribution of the background noise to those of the resonant contributions. FD has been tested to verify its performance on pseudo-data from the top-antitop and « 4t BSM » analyses. First, tests were conducted to check if FD was creating spurious signal. The first version suffered of this problem and FD was then improved to reduce the amount of spurious signal. Finally, signal injection studies were carried out and FD showed difficulties to model the signal's contribution and to separate it from the background noise for signal with widths greater than 3%.