<p>This dissertation presents precision measurements of top quark polarizations and top quark pair spin correlations, which probe the independent coefficients of the top-spin components of the top quark pair production density matrix, targeting all channels (ee, eµ,  µµ) of the top quark pair dileptonic decay mode with final states containing two oppositely charged leptons, and using 137.7 fb<strong>⁻¹</strong> of data recorded by the CMS experiment at the LHC with 13 TeV center-of-mass energy, during 2016, 2017, and 2018.</p> <p>All measured observables are corrected for detector efficiencies, acceptances, and migrations, unfolded to parton-level, and extrapolated to the full phase space using a regularized unfolding procedure.</p> <p>Spin-density coefficients are extracted from the unfolded distributions and compared to theoretical predictions and predictions from Monte Carlo simulations with next-to-leading-order matrix element accuracy interfaced with parton-shower algorithms.</p> <p>The measurements are performed both in the full phase-space and differentially as a function of top quark pair invariant mass.</p> <p>The measured coefficients showed decent agreement with the MC predictions, and better agreement when compared to QCD perturbative calculations for top quark pair production at NLO with electroweak corrections, and the measurement precision for one-dimensional normalized unfolded cross-sections and extracted coefficients were improved by as much as a factor of two compared to previous measurements.</p>

In dieser Dissertation wird die Suche nach schweren neutralen pseudoskalaren A und skalaren H Higgs-Bosonen vorgestellt, die in gg-Fusionen erzeugt werden, und in ein Top-Antitop-Quark-Paar zerfallen. Gesucht wurde im vollständigen Datensatz von Proton–Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV die vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider aufgezeichnet wurde und einer integrierten Luminosität von 20.3 fb−1 entspricht. Der Signalprozess und der Haupthintergrund aus der Top-Quark-Paar-Produktion über starke gg-Fusionen-Prozesse, interferieren heftig, was zu einer Verzerrung des reinen Breit-Wigner-Resonanzpeak in eine Peak-Dip-Struktur führt. Diese Analyse ist die erste am LHC, die die Interferenz zwischen Signal und Hintergrundprozessen vollständig berücksichtigt. Die Suche stützt sich auf die statistische Analyse des invarianten Top-Quark-Paar-Massenspektrum, welches aus Ereignissen mit einem Elektron oder Myon mit hohem Transversalimpuls, einer hohen fehlenden Transversalenergie von dem nicht detektierten Neutrino und mindestens vier Jets rekonstruiert wird. In den Daten wird keine signifikante Abweichung vom erwarteten Standardmodell-Hintergrund beobachtet. Die Ausschließungsgrenzen wurden abgeleitet im Kontext des Typ II Two-Higgs-Doublet Model, für Higgs-Bosonen mit einer Masse von 500 und 750 GeV und mit niedrigerem tan(\beta)-Parameter, bei der tan(\beta) das Verhältnis der Vakuumerwartungswerte der beiden Higgs-Dublett-Felder ist. Diese Parameterregionen sind weitgehend unerforscht in Untersuchungen von beliebigen Endzuständen. / In this thesis a search is presented for heavy neutral pseudoscalar A and scalar H Higgs bosons, produced in gg fusion and decaying into a top-antitop quark pair. The search is conducted on the full proton-proton collisions dataset recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass collision energy of 8 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb−1. The signal process and the main background from top quark pair production via the gg fusion strong process, interfere heavily, distorting the signal shape from the pure Breit-Wigner resonance peak to a peak-dip structure. This analysis is the first one at the LHC that fully takes into account the interference between a signal and the background processes. The search relies on the statistical analysis of the top quark pair invariant mass spectrum, which is reconstructed in signal candidate events with a high-transverse momentum electron or muon, large missing transverse energy from the undetected neutrino and at least four jets. No significant deviation from the expected SM background is observed in data. Exclusion limits are derived in the context of the type-II Two-Higgs-Doublet Model, for Higgs boson masses of 500 and 750 GeV and in the low tan(\beta) parameter region, where tan(\beta) is the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublet fields. These parameter regions have been largely unexplored by searches in any final state.

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Hochenergiephysikanalysen zielen darauf ab, das Standardmodell—die gemeinhin akzeptierte Theorie—zu testen. Für überzeugende Schlüsse, sind Analysemethoden nötig, welche einen eindeutigen Vergleich zwischen Daten und Theorie ermöglichen und zuverlässige Abschätzung der Unsicherheiten erlauben. Die Matrixelement-Methode (MEM) ist eine Maximum-Likelihood-Methode, welche speziell auf Signalsuche und Parameterschätzung an Beschleunigern zugeschnitten ist. Die MEM hat sich durch optimale Nutzung vorhandener Information und sauberer statistischer Interpretation der Ergebnisse als vorteilhaft erwiesen. Sie hat jedoch einen großen Nachteil: In der Originalformulierung ist die Berechnung der Likelihood intrinsisch auf die erste störungstheoretische Ordnung in der Kopplung limitiert. Höhere Ordnungskorrekturen verbessern die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen und erlauben eindeutige feldtheoretische Interpretation der gewonnen Informationen. In dieser Arbeit wird erstmalig die MEM unter Einbezug der Korrekturen der nächstführenden Ordnung (NLO) der QCD-Kopplung durch Definition von Ereignisgewichten für die Berechnung der Likelihood präsentiert. Diese Gewichte ermöglichen auch die Erzeugung ungewichteter Ereignisse, welche dem in NLO-Genauigkeit berechneten Wirkungsquerschnitt folgen. Der Methode wird anhand von Top-Quark-Ereignissen veranschaulicht. Die Top-Quark-Masse wird aus den erzeugten Ereignissen mithilfe der MEM in NLO-Genauigkeit bestimmt. Die erhaltenen Schätzer stimmen mit den Eingabewerten aus der Ereigniserzeugung überein. Wiederholung der Massenbestimmung aus denselben Ereignissen, ohne NLO-Korrekturen in den Vorhersagen, führt zu verfälschten Schätzern. Diese Verschiebungen werden nicht durch abgeschätzte theoretische Unsicherheiten berücksichtigt, was die Abschätzung der theoretischen Unsicherheiten der Analyse in führender Ordnung unzuverlässig macht. Die Resultate unterstreichen die Wichtigkeit der Berücksichtigung von NLO-Korrekturen in der MEM. / Analyses in high energy physics aim to put the Standard Model—the commonly accepted theory—to test. For convincing conclusions, analysis methods are needed which offer an unambiguous comparison between data and theory while allowing reliable estimates of uncertainties. The Matrix Element Method (MEM) is a Maximum Likelihood method which is especially tailored for signal searches and parameter estimation at colliders. The MEM has proven to be beneficial due to optimal use of the available information and a clean statistical interpretation of the results. But it has a big drawback: In its original formulation, the likelihood calculation is intrinsically limited to the leading perturbative order in the coupling. Higher-order corrections improve the accuracy of theoretical predictions and allow for unambiguous field-theoretical interpretation of the extracted information. In this work, the MEM incorporating corrections of next-to-leading order (NLO) in QCD by defining event weights suited for the likelihood calculation is presented for the first time. These weights also enable the generation of unweighted events following the cross section calculated at NLO accuracy. The method is demonstrated for top-quark events. The top-quark mass is determined with the MEM at NLO accuracy from the generated events. The extracted estimators are in agreement with the input values from the event generation. Repeating the mass determinations from the same events, without NLO corrections in the predictions, results in biased estimators. These shifts may not be accounted for by estimated theoretical uncertainties rendering the estimation of the theoretical uncertainties unreliable in the leading-order analysis. The results emphasise the importance of the inclusion of NLO corrections into the MEM.

In dieser Dissertation werden Resultate einer Suche nach der Produktion von Einzel-Top-Quarks über flavour-verletzende neutrale Ströme (FCNCs) in starken Welchselwirkungen vorgestellt. Hierfür werden Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8TeV verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment im Jahr 2012 aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 14.1 fb−1. In der Analyse werden FCNC-Ereignisse selektiert, in denen ein leichtes Quark (u oder c) mit einem Gluon wechselwirkt, und ein einzelnes Top-Quark und potentiell ein weiterer einzelner Jet produziert wird. Mittels der Forderung nach genau einem Myon oder Elektron, großer fehlender Transversalenergie und exakt einem Bottom-Quark-Jet und eventuellem zusätzlichen Jet im Endzustand werden Kandidaten der gesuchten Ereignisse im leptonischen Zerfallskanal des Top-Quarks selektiert. Zur Unterscheidung zwischen Signal- und Untergrundereignissen werden multivariate Methoden herangezogen. Künstliche neuronale Netze werden verwendet, um diverse kinematische Variablen zu einem einzelnen Klassifikator zu kombinieren. Um die potentielle Produktion von Top-Quarks über FCNCs zu quantifizieren, werden die Ausgaben der neuronalen Netze einer Bayes''schen statistischen Analyse unterzogen. Da kein Überschuss an Signalereignissen festgestellt werden kann und die Ergebnisse den Erwartungen der theoretischen Vorhersagen entsprechen, werden neue obere Schranken auf den FCNC-Produktionswirkungsquerschnitt von Einzel-Top-Quarks ermittelt. Aus diesen werden unter Verwendung von modell-unabhängigen theoretischen Berechnungen neue obere Schranken auf die Kopplungskonstanten sowie auf die entsprechenden Verzweigungsverhältnisse ermittelt. / This thesis presents results of a search for single top-quark production via flavour-changing neutral currents (FCNCs) in strong interactions using data recorded with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2012. A dataset from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8TeV and corresponding to an integrated luminosity of 14.1 fb−1 is used. It is searched for FCNC events in which a light quark (u or c) interacts with a gluon to produce a single top quark, either with or without the associated production of another light quark or gluon. Candidate events of leptonically decaying top-quarks are selected by requiring a single electron or muon, a substantial amount of missing transverse energy, and exactly one or two jets of which exactly one has to fulfil a b-tagging criterion. Multivariate techniques are employed in order to distinguish between signal- and background-like events by making use of artificial neural networks that combine multiple kinematic variables into a single classifier output. A Bayesian statistical analysis is performed on the classifier outputs in order to quantify potential signs of FCNC single top-quark production. No excess in signal events is observed and the results are in agreement with the theory predictions. Consequently a new upper limit is set on the FCNC single top-quark production cross-section multiplied by the t->Wb branching fraction. Using theory calculations within a model-independent effective theory framework, this limit is converted into upper limits on the coupling constants of the FCNC interactions as well as into respective upper limits on the branching fractions.

ATLAS is a multi-purpose detector which has recently started to take data at the LHC at CERN. This thesis describes the tests and calibrations of the central calorimeters of ATLAS and outlines a search for heavy top quark pair resonances.The calorimeter tests were performed before the ATLAS detector was assembled at the LHC, in such a way that particle beams of known energy were targeted at the calorimeter modules. In one of the studies presented here, modules of the hadronic barrel calorimeter, TileCal, were exposed to beams of pions of energies between 3 and 9 GeV. It is shown that muons from pion decays in the beam can be separated from the pions, and that the simulation of the detector correctly describes the muon behaviour. In the second calorimeter study, a scheme for local hadronic calibration is developed and applied to single pion test beam data in a wide range of energies, measured by the combination of the electromagnetic barrel calorimeter and the TileCal hadronic calorimeter. The calibration method is shown to provide a calorimeter linearity within 3%, and also to give a reasonable agreement between simulations and data. The physics analysis of this thesis is the proposed search for heavy top quark resonances, and it is shown that a narrow uncoloured top pair resonance, a Z', could be excluded (or discovered) at 95% CL for cross sections of 4.0±1.6 pb (in the case of M=1.0 TeV/c2) or 2.0±0.3 pb (M=2.0 TeV/c2), including systematical uncertainties in the model, assuming √s = 10 TeV and an integrated luminosity of 200 pb-1. It is also shown that an important systematical uncertainty is the jet energy scale, which further underlines the importance of hadronic calibration.

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Le LHC (Large Hadron Collider) a produit en 2012 des collisions proton proton à une énergie de 8 TeV dans le centre de masse pour les expériences ATLAS et CMS. Ces deux expériences ont été conçues pour découvrir le boson de Higgs et pour rechercher de nouvelles particules prédites par des modèles théoriques. Le boson de Higgs a été découvert le 4 juillet 2012 par les expériences ATLAS et CMS. Cette découverte marque le début d'une nouvelle période de recherche dans le domaine. Avec la confirmation de l'existence du boson de Higgs, les recherches de nouvelle physique liées à ce boson sont devenues prioritaires. Par exemple, on peut chercher dans les données une nouvelle particule massive qui peut se désintégrer dans un boson de Higgs associé à d'autres particules du modèle standard. Une signature attendue est un boson de Higgs avec un quark top, les deux particules les plus lourdes du modèle standard. Le modèle standard prédit une section efficace pour la production du Higgs avec un quark top. Ainsi une mesure de cette section efficace montrant une valeur plus importante prouverait l'existence de physique au-delà du modèle standard. En outre, l'existence de physique au-delà le modèle standard pourrait montrer des résonances qui se désintègrent dans un quark top et un boson de Higgs. Dans la première partie de ce manuscrit, je présente les bases théoriques et expérimentales du modèle standard, ainsi que le dispositif expérimental. Dans le même chapitre théorique je discute une extension du modèle standard dans le cadre d'un modèle effectif englobant ce dernier. De plus, je détaille une étude de faisabilité d'une recherche d'une des nouvelles particules prédites par ce modèle, un quark vectoriel. Dans la deuxième partie, la recherche dans CMS de ce quark vectoriel T_, partenaire du quark top, est décrite. Ce partenaire du top est une nouvelle particule très similaire au quark top du modèle standard, mais beaucoup plus lourde. On considère le cas où ce nouveau quark se désintègre préférentiellement dans un quark top et un boson de Higgs. J'ai fait cette recherche dans le canal hadronique ou le Higgs se désintègre en deux quarks b et le quark top se désintègre en trois quarks, un quark b et deux quarks légers. J'ai reconstruit la masse du T_ à partir de l'identification de tous ses produits de désintégration. Le résultat obtenu est décrit sous forme des limites observées sur la section efficace de production du T_ déduites à partir de cette analyse / During 2012, the Large Hadron Collider (LHC) has delivered proton-proton collisions at 8 TeV center of mass energy to the ATLAS and CMS experiments. These two experiments have been designed to discover the Higgs boson and to search for new particles predicted by several theoretical models, as supersymmetry. The Higgs boson has been discovered by ATLAS and CMS experiments on July, 4th of 2012, starting a new era of discoveries in particle physics domain. With the confirmation of the existence of the Higgs boson, searches for new physics involving this boson are of major interest. In particular, data can be used to look for new massive particles that decay into the Higgs boson accompanied with other particles of the standard model. One expected signature is a Higgs boson produced with a top quark, the two heaviest particles in the standard model. The standard model predicts a cross section of top-Higgs production, then any enhancement of their associated production will be a clear signature of physics beyond the standard model. In addition, the existence of physics beyond the standard model can also be reflected by resonances that decay into a top-quark and a Higgs boson. In the first part of my work I describe the theoretical and experimental foundations of the standard model, as well as the experimental device. In the same theoretical chapter, I also discuss the formulation of an extension of the standard model. In addition, I describe a feasibility study of a search of one of the particles predicted by such model. The second part contains the realization of the search for a top partner, T_, within the CMS experiment. This top partner is a new particle very similar to the standard model top quark, but much heavier, that can decay into a top quark and a Higgs boson. The analysis looks for this particle in the full hadronic final state, where the Higgs boson decays into two b-quarks and the top quark decays into three standard model quarks, a b and two light quarks. In this channel, I reconstruct its mass from the identification of all its decay products. As a result of the analysis, I show the limits on the T_ production cross section from the number of observed events in the specific signature