Doctor of Philosophy / Department of Physics / Andrew G. Ivanov / A search is performed for heavy vector-like top quark partner (T) with electric charge +2/3 by using proton-proton collision events from Large Hadron Collider (LHC) at a centre- of-mass energy of 13 TeV. The data corresponds to an integrated luminosity of 35.9fb−1 collected by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment during 2016. The production of this new hypothetical particle is assumed to be in pairs and strong interaction is responsible for such production mechanism. T quarks can decay to various combinations of third generation quarks and standard model bosons: T → bW, tZ, or tH, and hence the final states consist of pair of opposite-sign leptons consistent with coming from a Z boson and jets. No significant excess has been observed and hence 95% CL upper limits are obtained on TT production cross section by assuming different branching ratios. T quark mass values below 1280 GeV are excluded in case of 100% branching fraction for T → tZ.

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In dieser Arbeit wird die Messung des normalisierten differentiellen Wechselwirkungsquerschnitts von Top Quark Produktionen mit zusätzlichen Jets präsentiert. Es werden Proton-Proton Kollisionsdaten des ATLAS Experiments am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit einer Luminosität von 3.2 fb-1 verwendet. Die Top Quark Ereignissen werden durch ein entgegengesetzt geladenes Elektron-Muon Paar und zwei b-tagged Jets selektiert. Der differentielle Wechselwirkungsquerschnitt wird als Funktion von Observablen, die sensitiv auf zusätzliche Jets sind, gemessen: der Jetmultiplizität, des transversalen Impulses der zusätzlichen Jets, der Summe der transversalen Impulse aller Objekte im Ereignis und räumlichen Korrelationen zwischen den zwei Jets mit dem größten Impulsen. Die gemessenen Daten werden auf Teilchen-Level korrigiert und mit verschiedenen Vorhersagen für detailierte Studien des Monte Carlo QCD Models verglichen. / In this thesis, the measurement of the normalised differential cross-sections of top quark pair production in association with jets using 3.2 fb-1 of proton-proton col- lision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC are presented. Jets are selected from top events which are defined by an opposite-charge electron-muon pair and two b-tagged jets in the final state. The cross-sections are measured as functions of several observables are sensitive to ad- ditional jets: jet multiplicities, transverse momentum of additional jets, transverse momentum sum of all objects in the event and spatial correlations of the two high- est momentum additional jets. The data are corrected to obtain particle-level fidu- cial cross-section. The resulting measurements are compared to several predictions allowing detailed studies of Monte Carlo QCD modelling.

Current estimates put Dark Matter to 26% of the energy-matter content of the universe, but very little is known about it other than its gravitational interactions. Eorts to learn more about Dark Matter include searching for it at high energy particle colliders. The lack of information about the nature of Dark Matter makes this a complicated task, and many searches are performed in dierent channels, and considering dierent theoretical models. In this thesis, I explore two such analyses, performed in the ATLAS collaboration using data from the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN: the tW+MET (missing transverse energy) nal state and the tt+MET nal state. I have made a generation-level study of the overlap between the signal regions used, and come to the conclusion that there is some. I have also compared the models used in these analyses, the 2HDM+a and the simplied spin-0 pseudoscalar model. Given the simplications made in my study, however, more sophisticated approaches should be used before anything conclusive can be said.

Dans cette thèse, la mesure des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est présentée. L'objectif de ce travail est l’étude du mode de production associé à une paire de quark top (tṫH). Ce mode représente le seul accès direct au couplage de Yukawa du quark top, un paramètre fondamental du Modèle Standard. Le mode de production tṫH est un processus très rare. Il est de l'ordre de deux ordres de grandeur plus petits que la production principale du boson de Higgs par fusion de gluons. À 13 TeV, le mode de production ttH est environ 4 fois plus grand qu'à 8 TeV. Cette thèse reprend les études réalisées à 8 TeV, où l’échantillon de données ne suffisait pas pour établir une observation de ce mode de production. Bien que le canal en deux photons ne soit pas celui qui présente le plus grand rapport de branchement (seulement 0,2%), il est très prometteur en raison de son excellente résolution en masse (1%). De plus, sa signature est très propre dans le détecteur. Le canal de désintégration en deux photons est particulièrement intéressant puisqu'il s'agit du seul canal permettant l'étude de tous les modes de production : la fusion de gluons, la fusion de bosons vecteurs, les productions associées avec des bosons W ou Z ou avec une paire de quarks top. Le document commence par une introduction théorique du Modèle Standard et la physique du boson de Higgs au LHC, suivie d'une description du détecteur CMS. Pour obtenir une excellente résolution de masse dans le canal de désintégration en deux photons , le calorimètre électromagnétique doit être calibré. Le système de monitorage de la transparence des cristaux du calorimètre électromagnétique de CMS par le système laser joue un rôle important dans la chaîne d'étalonnage et est décrit en détail. Sur le long terme, le système de monitorage laser devra être amélioré car le niveau de rayonnement influence son électronique. Je présente mon travail sur l'amélioration possible du système de monitorage laser, ainsi que l'étude de sa précision possible. L'analyse inclusive H → ᵞᵞ a eu plusieurs itérations pour les conférences en 2016 et 2017. La stratégie pour 2017 est décrite dans ce document. Une classification des événement sert à maximiser la significance du signal et à étudier les modes spécifiques de production du boson de Higgs. Mes contributions à l'analyse H → ᵞᵞ consistent en l'identification du vertex primaire, l'identification du photon et l'étude du mode de production tṫH. Chaque contribution est décrite en détail dans des chapitres dédiés. L'analyse tṫH, H → ᵞᵞ est présentée pour deux itérations en 2016 et 2017, en mettant l'accent sur les améliorations dans l'analyse de 2017. Enfin, les résultats de l'analyse inclusive et tṫH, H → ᵞᵞ, en utilisant l'ensemble complet de données 2016 correspondant à une luminosité intégrée de 35,9 fb-1, sont présentés. / In this thesis, the measurement of the Higgs boson properties in the diphoton decay channel with the CMS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) is presented. The focus of this work is the tṫH production mode, as it is the only direct access to the top quark Yukawa coupling, a fundamental parameter of the Standard Model. tṫH is a very rare process, two orders of magnitude smaller than the dominant Higgs boson production by gluon fusion. At 13 TeV, ttH production is about 4 times larger than at 8 TeV. This thesis takes over the studies performed at 8 TeV, where the statistics was not enough for an observation of ttH. Despite a very small branching ratio (only about 0.2%), the two photons decay channel of the Higgs boson is very promising, because of its excellent mass resolution (about 1%). Moreover, its signature in the detector is very clear. The diphoton decay channel is also of particular interest as it is the only channel allowing the study of all production modes: gluon fusion, vector boson fusion, associated productions with a W or a Z bosons, or with a top quark pair.The document starts with a theoretical introduction about the Standard Model and Higgs boson physics at LHC, followed by a description of the CMS detector. To achieve an excellent mass resolution in the H → ᵞᵞ channel, the electromagnetic calorimeter has to be calibrated. The laser monitoring system plays an important role in the calibration chain and it is described in details. On the long term, the laser monitoring system will have to be upgraded as level of radiation influences its electronics. I present my work on the possible upgrade of the laser monitoring system, along with the study of its possible precision.H → ᵞᵞ inclusive analysis had several iterations for conferences in 2016 and 2017. The strategy for 2017 is described in this document. An event classification is used to maximize the signal significance and to study specific Higgs boson production modes. My contributions to the H → ᵞᵞ analysis are primary vertex identification, photon identification and the study of the tṫH production mode. Each contribution is described in details in dedicated chapters. The tṫH, H → ᵞᵞ analysis is shown for two iterations in 2016 and 2017, with the emphasis on improvements in 2017 analysis. Finally, the results of the inclusive and tṫH, H → ᵞᵞ analysis, using the full 2016 dataset corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb-1, are shown.

Le Modèle Standard, qui décrit les interactions entre les particules à l’échelle quantique, est une théorie imparfaite. Il possède plusieurs problèmes théoriques non-résolus et ne permet pas d’expliquer certaines observations astrophysiques comme celles de la matière noire et de l’asymétrie baryonique. Plusieurs théories, dites au-delà du Modèle Standard, ont été proposées afin de résoudre certains de ces problèmes, et une grande partie d’entre elles prévoient l’apparition de nouveaux phénomènes à haute énergie. L’objectif principal de cette thèse est de rechercher ces phénomènes dans les collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Une partie des travaux présentés dans cette thèse a en particulier été dédiée à la recherche de processus de production de quarks top de même signe, c’est-à-dire de même charge électrique, qui sont prédits par des modèles de supersymétrie à R-parité violée. Ces processus engendrent des évènements composés de leptons de même charge accompagnés de b-jets, lesquels ont l’avantage d’être faiblement contaminer par le bruit de fond provenant du Modèle Standard.Les travaux présentés dans cette thèse ont essentiellement porté sur deux analyses, chacune recherchant des phénomènes de nouvelle physique de nature différente dans les évènements composés de leptons de même charge dans les données enregistrées par le détecteur ATLAS. Une première analyse a porté sur la recherche de processus supersymétriques sur les données enregistrées en 2015 et en 2016 avec 36.1 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Des signaux de production de quarks top de même signe ont été implémentés en se basant sur des processus supersymétriques violant la R-parité, et des régions de signal associées à ces processus ont été optimisées. Une deuxième analyse a porté sur la recherche de processus non-supersymétriques, dits exotiques, dans les données enregistrées en 2015 avec 3.2 fb$^{-1}$ de luminosité intégrée. Cette analyse a surtout été motivée par les résultats obtenus à 8 TeV, dans lesquels un modeste excès de nombre d’évènements par rapport aux prédictions du Modèle Standard a été observé dans deux régions de signal. Une partie des études relatives à cette analyse a été dédiée au développement et à la validation des méthodes d’estimation des différentes sources de bruit de fond.Aucune déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard n’a été observée dans chacune des régions de signal considérées dans les deux analyses. L’excès qui avait été observé dans les résultats obtenus à 8 TeV n’est donc pas confirmé. Des limites d’exclusion sur les modèles de nouvelle physique ont de plus été extraites à partir des résultats obtenus, en particulier sur les modèles de supersymétrie à R-parité violée utilisés pour produire les processus de production de quarks top de même signe. / The Standard Model, which describes the particle interactions at quantum level, is an imperfect theory. It has several theoretical problems and is unable to explain astrophysical observations like the dark matter and the baryonic asymmetry of the universe. Several beyond-standard models have been proposed to solve some of these issues, and predict new-physics phenomena at high energy. The aim of this thesis is to search for these phenomena in proton-proton collisions produced by the Large Hadron Collider at a center-of-mass energy of 13 TeV. Part of the studies presented in this thesis was dedicated to the search for production of same-sign top quarks based on R-parity violating supersymmetric models. These processes lead to a signature of same-sign leptons and b-jets, which have the advantage to be lowly contaminated by the Standard Model background.The studies presented in this thesis focused on two analyses, both searching for new-physics phenomena of different nature in same-sign leptons events in data recorded by the ATLAS detector. A first analysis focused on supersymmetric processes with data recorded in 2015 and in 2016 with 36.1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. Same-sign top quarks signals were implemented using R-parity violating supersymmetric processes, and signal regions associated to these processes were optimized. A second analysis focused on exotic (non-supersymmetric) processes with data recorded in 2015 with 3.2 fb$^{-1}$ of integrated luminosity. This analysis was motivated by a modest excess seen in two signal regions in the 8 TeV results. Several studies were focused on the development and the validation of background estimation methods.No deviations from the Standard Model predictions were observed the signal regions considered in both analyses. The 8 TeV excess is therefore not confirmed with the most recent data. Exclusion limits on new-physics models were extracted, in particular for the R-parity violating supersymmetric models that were used to produce the same-sign top quarks processes.

L'expérience CMS auprès du LHC, grand collisionneur de hadrons, est un détecteur généraliste qui permet d'étudier tous les aspects des collisions proton-proton produites par le LHC : de l'étude du Modèle Standard et du boson de Higgs à la recherche de signaux de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard.La première partie de cette thèse est dédiée à la calibration en énergie des jets dans CMS, un des plus grands défis et une étape fondamentale pour la réussite du programme de physique dans cet environnement hadronique. Plus particulièrement, l'étude des événements multijets permet de contraindre l'échelle en énergie des jets au-delà du TeV. Les corrections en énergie ainsi extraites sont primordiales pour les analyses de physique utilisant des jets, et sont utilisées par toute la collaboration CMS.La deuxième partie est consacrée à la recherche de particules de spin 0 se désintégrant en paires de quarks top-antitop. En effet, de nombreux modèles de nouvelle physique prédisent de nouvelles particules scalaires ou pseudoscalaires avec un fort couplage au quark top. Une étude phénoménologique de deux de ces modèles est présentée, à savoir les modèles à deux doublets de Higgs (2HDM) et l'extension supersymétrique minimale du Modèle Standard (MSSM). Ces modèles offrent tous deux un secteur de Higgs enrichi avec entre autre deux bosons de Higgs neutres additionnels, un scalaire et un pseudoscalaire. Une analyse du spectre de masse invariante des paires top-antitop utilisant les données collectées par CMS en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV visant à mettre en évidence l'existence de telles particules est menée. Cette analyse prend en compte pour la première fois les effets des interférences entre la production des paires top-antitop du Modèle Standard et la production résonante à travers la nouvelle particule de spin 0. Il est montré que l'impact des interférences ne peut être négligé. Aucune déviation par rapport aux prédictions théoriques du Modèle Standard n'a été observée dans le spectre de masse invariante des paires top-antitop. Un premier aperçu des données à 13 TeV est également présenté / The CMS experiment at the LHC, the Large Hadron Collider, is a general-purpose detector built to study the proton-proton collisions produced by the LHC, corresponding to a broad physics programme ranging from studying the Standard Model and the Higgs bosons to searching for signal of new physics beyond the Standard Model.The first part of this thesis is dedicated to the jet energy calibration in CMS, one of the most challenging and crucial steps for the sucess of the physics programme within the hadronic environment. More specifically, the study of multijet events allows to constraint the jet energy scale beyond the TeV-scale. The jet energy corrections thus obtained are fundamental for the physics analyses using jets, and are used by all the CMS collaboration.The second part of this manuscript is dedicated to the search for new spin 0 particles decaying into top-antitop quarks pairs. Indeed, several new physics models predict new scalar or pseudoscalar particles with an enhanced coupling to the top quark. A phenomenological study of two of those models is presented, namely the two higgs doublet models (2HDM) and the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM). These models both offer an enriched Higgs sector with in particular two additional neutral Higgs bosons, one scalar and one pseudoscalar. The analysis of the top-antitop pairs mass spectrum using data collected by CMS in 2012 at an energy in the center of mass of 8 TeV is presented, looking for such particles. This search takes into account for the first time the effects of interference between Standard Model top-antitop pairs production and its resonant production through the spin 0 particle. This work shows the impact of interference cannot be neglected. No deviation from the Standard Model predictions has been observed in the top-antitop mass spectrum. A first look at 13 TeV data is also presented

Malgré ses nombreux succès, tels la récente découverte d'un boson compatible avec le boson BEH, le Modèle Standard présente un certain nombre de lacunes. Celles-ci poussent à la recherche d'une Nouvelle Physique, pouvant, entre autres exemples, prendre la forme de dimensions d'espace supplémentaires. Ce sont des événements à quatre quarks top issus des prédictions d'un tel modèle, le 2UED/RPP, présentant deux dimensions d'espace supplémentaires universelles compactifiées selon la géométrie du Plan Projectif Réel, qui sont recherchés dans cette thèse. Cette recherche se fait au travers d'une signature comportant au moins deux leptons (électrons ou muons) de mêmes charges électriques. Deux analyses successives sont détaillées. La première se base sur les premiers 14,3 fb-1 enregistrés lors de collisions proton-proton de 2012 avec une énergie dans le référentiel du centre de masse de la collision de 8 TeV. Elle place une limite observée (attendue) inférieure à un niveau de confiance de 95 % sur mKK, principal paramètre du modèle, à 0,90 TeV (0,92 TeV). Cette limite s'entend dans le cas où les deux dimensions ont le même rayon de courbure et où le rapport d'embranchement de A(1 ; 1) en tt est de 100 %. La seconde analyse étend la première à la totalité des 20,3 fb-1 de données enregistrées tout en raffinant les procédures utilisées. Un excès de données est observé avec une signification de moins de 2,5 déviations standard. Aucune des vérifications entreprises n'indique de défaut dans l'analyse pouvant expliquer cet excès. La nouvelle limite est de 0,96 TeV (1,05 TeV). Cette nouvelle analyse permet également de placer des limites sur les paramètres du modèle dans d'autres configurations. Ce développement du nouveau système d'étalonnage par LASER (ou LASER II) du calorimètre à tuiles scintillantes d' ATLAS. / Despite its numerous success, like the recent discovery of a boson compatible with the BEH boson, the Standard Model shows some deficiences. Those lead to a search for New Physics, which may take, among others, the form of extra space dimensions. In this thesis, four-top-quarks events arising from a such model, the 2UED /RPP, are searched for. The 2UED /RPP has two universal extra space dimensions compactified under the Real Projective Plane geometry. This search uses a signature with ar least two same-sign leptons (electrons and/or muons). Two successive analyses are presented. The first one uses the first 14,3 fb-1 recorded during 2012 proton-proton collisions occurring with a collision center-of-mass referential energy of 8 TeV. In the case where both extra dimensions have the same compactification radius and where the branching ratio of A(1 ; 1) in tt is 100 %, this analysis puts a lower observed (expected) limit on mKK (main model parameter) at 0,90 TeV (0,92 TeV) with a confidence level of 95 %. The second analysis extend the first one to the full 20,3 fb-1 dataset while refining the procedures in use. An excess of data with a significance of less than 2,5 standard deviations is observed. Non of the cross-checks done shows any default which could explain the excess. The new limit is 0,96 TeV (1,05 TeV). This second analysis also allows to put limits on the model's parameters in other configurations. Finally, this document also presents the author's contribution to the first stages of the LASER II development. The LASER II is the new LASER calibration system of ATLAS's Tile Calorimeter.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.