This thesis presents precision measurements and phenomenological studies of quark and gluon radiation in top-antitop and Z+jets final states. A measurement of top-antitop production with a veto on additional jet activity is performed using 2.1 inverse femtobarn of proton-proton collision data with a centre-of-mass energy of 7 TeV, collected by the ATLAS detector. Jet veto efficiency measurements are performed in several regions of rapidity and corrected for the effects of finite detector resolution and acceptance. A total experimental uncertainty of less than 5% is achieved in all distributions. Two phenomenological studies are performed on the additional quark and gluon radiation produced in association with boosted top-antitop systems. In the first study it is shown how a measurement of the jet veto efficiency can be used to identify the colour of a TeV-scale resonance decaying to top-antitop. The second follow-up study describes how the performance of several top-tagging algorithms is affected by the colour structure of an event. Measurements of the electroweak production of dijets in association with a Z-boson and distributions sensitive to vector boson fusion are performed using 20.3 inverse femtobarn of proton-ptoron collision data collected by ATLAS at 8 TeV. Detector-corrected differential cross sections, and distributions sensitive to radiation produced in addition to the Zjj system, are measured in five fiducial regions with varying sensitivity to the electroweak component of the Zjj cross section. Data are compared to MC predictions and are in reasonable agreement in the majority of cases. The electroweak Zjj cross section is extracted and found to be in good agreement with theory predictions. Limits are also placed on anomalous triple gauge couplings. The commissioning of an event filter isolated muon trigger is also presented. The trigger became one of the primary muon triggers used during the 2012 data taking.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22994号 / 理博第4671号 / 新制||理||1670(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 畑 浩之, 教授 川合 光, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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.

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.