In dieser Arbeit wird die Suche nach geladenen Higgs Bosonen (H±) vorgestellt. Dafür wurden Proton–Proton Kollisionen, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV in den Jahren 2015 und 2016 mit einer integrierten Luminosität von 36.1 fb−1 mit dem ATLAS-Experiment produziert wurden, untersucht. Die Existenz solcher geladener Higgs Bosonen wird in verschiedenen Modellen jenseits des Standardmodells vorhergesagt und ist auch dadurch motiviert, das dass Standardmodell nicht immer eine Erklärung für verschiedenste beobachtete Phänomene liefern kann. Diese Arbeit konzentriert sich auf geladene Higgs Bosonen, die eine höhere Masse als das top Quark besitzen und über H± → tb zerfallen. Die H± Produktion, in Verbindung mit einem top und einem bottom Quark pp → tbH±, wird im Massenbereich von 200 bis 2000 GeV untersucht. Die Suche nach H± in dieser Arbeit beschränkt sich auf Endzustände mit einem geladenen Lepton und mehreren Jets. Mit Hilfe eines boosted decision trees werden verschiedenste kinematische Variablen miteinander kombiniert, um dadurch das H± Signal besser von dem Standardmodell Untergrund unterscheiden zu können. Es wurde kein signifikanter Unterschied zum vorhergesagten Standardmodell-Untergrund gemessen und deshalb Ausschlussgrenzen für den Produktionswirkungsquerschnitt mal Verzweigungsverhältnis dieses H± Zerfalls berechnet. Weitere Ausschlussgrenzen wurden für den tanβ Parameter des MSSM Modells für die mhmod− und hMSSM Benchmark-Szenarien bestimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeit übertreffen alle bisherigen Ausschlussgrenzen - insbesondere werden zum ersten Mal Erkenntnisse über den Massenbereich bis zu 2000 GeV gewonnen. / This thesis presents a search for charged Higgs bosons produced in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, using 36.1 fb−1 of data collected by the ATLAS detector at the LHC in 2015 and 2016. The existence of charged Higgs bosons is predicted by various theories Beyond the Standard Model and it is motivated by the inadequacy of the Standard Model to explain some observed experimental phenomena. The work focuses on charged Higgs bosons heavier than the top quark and decaying via H± → tb. The production in association with a top and a bottom quark (pp → tbH±) is investigated in the mass range between 200 and 2000 GeV. A final state containing one charged lepton and jets is considered. Multiple kinematic variables are combined using a boosted decision tree (BDT) in order to separate signal and background. The output of the BDT is used to perform a profile likelihood fit of the Monte Carlo predictions to the observed data. No significant excess of events above the expected Standard Model background is observed, therefore upper limits are set for the cross-section of the charged Higgs boson production times the branching fraction of its decay. Limits are also provided for the tanβ parameter of the MSSM, in the mhmod− and hMSSM benchmark scenarios. The work improves the reach of all previous searches, including for the first time masses ranging up to 2000 GeV.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

Ein fundamentaler Baustein des Standardmodels, des heute am weitesten akzeptierten Models der Elementarteilchenphysik, ist die Selbstkopplung der elektroschwachen Eichbosonen gamma, Z und W. Waehrend andere Vorhersagen des Standardmodels mit hoher Praezision getestet wurden, ist ueber die Staerke der Selbstkopplung der Bosonen wenig bekannt. Erste indirekte Hinweise ueber solche Kopplungen wurden aus praezisen Messungen der Fermionpaarproduktion auf dem Z-Pol gewonnen. Diese Messungen sind sensitiv auf Strahlungskorrekturen. In dieser Analyse werden zum ersten Mal alle verfuegbaren elektroschwachen Praezisionsdaten, die unter anderen bei LEP 1, am SLAC und am TEVATRON gewonnen wurden, benutzt, um in einer globalen Anpassung die Kopplungsstaerken der elektroschwachen Eichbosonen zu ermitteln. Praezise direkte Messungen der Kopplungsstaerke wurden durch die Erhoehung der Schwerpunktsenergie am LEP-Beschleuniger im Jahre 1996 moeglich, die die Paarproduktion von W-Bosonen, e+e- -> W+W-, erlaubte. Zusaetzlich zu diesem Kanal wurde auch noch die Kopplungsabhaengigkeit des Wirkungsquerschnitts der einfach-resonanten W-Produktion, e+e- -> W e nu, und der Photonproduktion, e+e- -> nu nu gamma, benutzt, um die Selbstkopplung der Bosonen zu bestimmen. Zur Analyse wurden Daten, die einer Gesamtluminositaet von 77 pb^-1 entsprechen und bei Schwerpunktsenergien von 161, 172 und 183 GeV in den Jahren 1996 und 1997 mit dem L3 Detektor aufgezeichnet wurden, benutzt. Die Vorhersagen des Standardmodels sind in guter Uebereinstimmung mit allen Messungen. Insbesondere mit der Messung von g_1^Z konnte zum ersten Mal die Existenz des ZWW Vertex experimentell nachgewiesen werden. Zusaetzlich fordert das Standardmodel die Erhaltung der C- und P-Paritaet am ZWW Vertex. Diese Vorhersage wurde durch die Messung getestet und es wurde gute Uebereinstimmung mit der Standardmodelvorhersage gefunden. Die Messung der Kopplungsstaerken in drei unterschiedlichen Kanaelen entspricht der Messung in unterschiedliche Regionen von Impulsuebertraegen. Die Messungen zeigen keine Abhaengigkeit, so dass sowohl das magnetische Dipolmoment als auch das elektrische Quadrupolmoment des W-Bosons aus den Kopplungen hervorgehen. Diese statischen Eigenschaften des W-Bosons geben Informationen ueber dessen Groesse und geometrische Struktur. So folgt aus der Messung das der Radius der W-Bosons kleiner als 10^-18 m ist. Zusaetzlich zu diesen Informationen ueber das W-Boson, konnte der Parameterbereich einer Erweiterung der Standardmodels durch ein sequentielles Z'-Boson eingeschraenkt werden. Ein Model von Klein das die Vereinigung von Kraeften und Materie beschreibt wurde mit 10 Standardabweichungen ausgeschlossen. Zusammenfassung als PostScript-Datei / The couplings between the bosons of the electroweak interaction, gamma, Z and W, is one of the fundamental building blocks of the Standard Model, which was not yet tested with high precision. Indirect hints for the existence of boson self-coupling have been obtained by analysing Z pole data with respect to radiative corrections. This analysis uses for the first time all available electroweak precision data obtained at LEP 1, SLC, TEVATRON and at low energy experiments. The coupling strength between the electroweak gauge bosons is obtained by a global fit to all these data. A precise direct measurement of triple gauge boson couplings became possible in 1996 at LEP 2, where W bosons could be produced in pairs, e+e- -> W+W-. In addition single-resonant W production, e+e- -> W e nu, and single photon production, e+e- -> nu nu gamma, are evaluated with respect to boson self-couplings. In total a luminosity of 77 pb^-1 was collected with the L3 detector at 161, 172 and 183 GeV centre-of-mass energy in the years 1996 and 1997. The Standard Model expectations show good agreement with this measurement. The measurement is the first proof of the existence of a ZWW vertex. The LEP 2 data were further used to limit violation of parity and C-parity at the ZWW vertex. The results of the measurement for the three different channels, corresponding to three different regions of momentum transfer showed no dependence. Thus the magnetic dipole moment and electric quadrupole moment are derived. These two static properties of the W give information on the size and the geometrical form of the W, such that the W radius could be limited to 10^-18 m. In addition the coupling constants were used to limit the phase space of the extension of the Standard Model with a sequential Z' boson in terms of mixing angle and Z' mass. The unified matter theory by Klein is ruled out with more than ten standard deviations. abstract in PostScript

Diese Arbeit beschreibt die Messung der Wirkungsquerschnitte fuer die Reaktion e+e- -> W+W- -> qqqq und die Bestimmung der W-Masse mit dem L3-Detektor am LEP. In einem Datensample gesammelt bei den Schwerpunktsenergien zwischen 183 GeV und 189 GeV, das einer Gesamtluminositaet von 232 1/pb entspricht, sind 1957 Vier-Fermion-Ereignisse mit hadronischen Jetpaaren selektiert worden. Auf diese Ereignisse basierend wurden die Wirkungsquerschnitte fuer die Reaktion e+e- -> W+W- -> qqqq gemessen, jeweils 7.94 +/- 0.45 (stat) +/- 0.21 (syst) pb und 7.53 +/- 0.25 (stat) +/- 0.17 (syst) pb entsprechend 183 GeV und 189 GeV. Unter der Benutzung der selektierten Ereignisse der anderen Endzustaende der Reaktion e+e- -> W+W- und der Kombination aller Endzustaende wurden die Gesamtwirkungsquerschnitte und hadronische Verzweigungsverhaeltnisse (Br) des W-Zerfalls gemessen: WW-Wirkungsquerschnitt (183 GeV) = 16.10 +/- 0.66 (stat) +/- 0.26 (syst) pb, WW-Wirkungsquerschnitt (189 GeV) = 16.36 +/- 0.37 (stat) +/- 0.22 (syst) pb, Br(W -> qq) = 68.36 +/- 0.69 (stat) +/- 0.33 (syst) %, wobei die Lepton-Universalitaet angenommen ist. Die Ergebnisse sind konsistent mit der Standardmodelerwartung. Das gemessene hadronisches Verzweigungsverhaeltnis erlaubt eine Bestimmung des CKM-Matrixelement |V_cs| = 1.035 +/- 0.032 (stat) +/- 0.016 (syst). Die Masse des W-Bosons ist bei der direkten Rekonstruktion des W-Zerfalls in W+W- -> qqqq und W+W- -> qqln Ereignisse bestimmt worden. Das kombinierte Ergebnis von allen Endzustaenden ist M_W = 80.325 +/- 0.081 (stat) +/- 0.060 (syst) GeV. Eine Teilung der Daten in positiv und negativ geladene W-Bosonen ergibt M_W+ - M_W- = +0.28 +/- 0.42 GeV, wobei nur qqen-, qqmn- und qqqq-Ereignisse benutzt wurden. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der CPT-Erhaltung. In 1999, W-Paarereignisse wurden zwischen 192 GeV- und 202 GeV- Schwerpunktsenergien produziert. Diese Daten entsprechen eine integrierte Luminositaet von 234 1/pb. Die hadronische Wirkungsquerschnitte wurden gemessen, und die vorlaeufigen Ergebnisse sind berichtet. Alle Endzustaende der W-Paar-Produktion und alle selektierten Ereignisse zwischen den Schwerpunktsenergien von 183 GeV and 202 GeV wurden kombiniert, und die Masse des W-Bosons ist gemessen. Das vorlaeufigen Ergebnis ist M_W = 80.312 +/- 0.060 (stat) +/- 0.058 (syst) GeV. / This thesis describes a measurement of the cross section for the process e+e- -> W+W- -> qqqq and the determination of the W mass with the L3 detector at LEP. In a data sample corresponding to a total luminosity of 232 1/pb collected at center-of-mass energy between 183 GeV and 189 GeV, 1957 four-fermion events with pairs of hadronic jets are selected. Based on these events, the cross sections for the doubly resonant process e+e- -> W+W- -> qqqq have been measured to be 7.94 +/- 0.45 (stat) +/- 0.21 (syst) pb and 7.53 +/- 0.25 (stat) +/- 0.17 (syst) pb at 183 GeV and 189 GeV respectively. Using the selected events of the other final states of the process e+e- -> W+W- and combining all the final states, the total cross sections and the hadronic branching fraction of the W decays are measured: WW cross section (183 GeV) = 16.10 +/- 0.66 (stat) +/- 0.26 (syst) pb, WW cross section (189 GeV) = 16.36 +/- 0.37 (stat) +/- 0.22 (syst) pb, Br(W -> qq) = 68.36 +/- 0.69 (stat) +/- 0.33 (syst) %, where the lepton universality is assumed. These results are consistent with Standard Model expectations. The measured hadronic branching fraction allows a determination of the CKM matrix element |V_cs| = 1.035 +/- 0.032 (stat) +/- 0.016 (syst). The mass of the W boson is determined by the direct reconstruction of the W decays in W+W- -> qqqq and W+W- -> qqln events. The combined result from all final states is M_W = 80.325 +/- 0.081 (stat) +/- 0.060 (syst) GeV. A division of the data into positively and negatively charged W bosons yields M_W+ - M_W- = +0.28 +/- 0.42 GeV, where only qqen, qqmn and qqqq events have been used. This result is consistent with CPT invariance. In 1999, W-pair events were produced between 192 GeV and 202 GeV center-of-mass energy. These data correspond to an integrated luminosity of 234 1/pb. The hadronic cross sections are measured, and the preliminary results are reported. Combining all final states in W-pair production and all the selected events between 183 GeV and 202 GeV center-of-mass energy, the mass of the W boson is measured. The preliminary result obtained is M_W = 80.312 +/- 0.060 (stat) +/- 0.058 (syst) GeV.

In dieser Disseratation wird eine mögliche Erweiterung des Standardmodells der Elementarteilchen (SM) im Higgs-Sektor mithilfe von Topquarkpaarproduktion am Large Hadron Collider untersucht. Insbesondere wird dabei auf das sogenannte Zwei-Higgs-Duplettmodell eingegangen. Dieses Modell führt mehrere Spin-0 Bosonen (auch Higgsbosonen genannt) zusätzlich zum SM-Higgsboson ein. Dabei wird in dieser Arbeit von der Annahme ausgegangen, dass diese zusätzlichen Higgsbosonen schwer genug sind um in ein Top-Antitop-Paar zu zerfallen. Somit können die experimentellen Signaturen dieser neuen Teilchen mit Hilfe von Observablen der Topquarkpaarproduktion untersucht werden. Dazu wird die resonante Erzeugung von schweren Higgsbosonen und deren Zerfall in Topquarkpaare bis einschließlich Quantenkorrekturen in der nächst-zu-führenden Ordnung (NLO) in der QCD-Kopplungskonstanten berechnet. Weiterhin wird die volle Spininformation des Top-Antitop-Paares beibehalten, welche die Analyse von spinabhängigen Observablen erlaubt. Diese können, insbesondere in Falle von Top-Antitop-Spinkorrelationen, sehr sensitiv auf Effekte schwerer Higgsbosonen sein. Dies zeigt sich besonders in Vergleich zu spinunabhängigen Observablen. Die Sensitivität von spinabhängigen Observablen kann zudem noch durch entsprechende Schnitte auf den Phasenraum von Top- und Antitopquark verstärkt werden. In dieser Dissertation wird ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe sich die Spinkorrelationen identifizieren lassen, welche die größte Sensitivität auf die Effekte schwerer Higgsbosonen aufweisen. Außerdem wird durch die Berechnung der Beiträge zur NLO u.a. gezeigt, dass diese Beiträge wichtig sind um aussagekräftige und robuste Observablen zu definieren. Die Ergebnisse der NLO, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, sind die ersten ihrer Art für die resonante Erzeugung von schweren Higgsbosonen und deren Zerfall in Topquarkpaare. / In this dissertation a possible extension of the standard model of particle physics (SM) in the Higgs sector is investigated using top-quark pair production at the Large Hadron Collider as a probe. In particular, the so-called two-Higgs-doublet model (2HDM) is studied. The 2HDM introduces several spin-0 bosons (which are also called Higgs bosons) in addition to the SM Higgs boson. In this thesis these additional Higgs bosons are assumed to be heavy enough to decay into a top-antitop quark pair. Thus, the experimental signatures of these new particles can be studied through observables of top-quark pair production. To this end the resonant production of heavy neutral Higgs bosons and their decay into top-quark pairs in calculated up to next-to-leading order corrections in the QCD coupling constant retaining the full spin information of the top-antitop pair. This allows to analyse spin dependent observables which can be more sensitive to effects of heavy Higgs bosons than spin independent ones especially in the case of top-antitop spin correlations. The additional application of kinematical cuts on the phase space of top and antitop quarks can enhance the sensitivity further. In this thesis a method is presented that can be used to construct the spin correlation which is most sensitive to the effects of heavy Higgs bosons on top-quark pair production. Furthermore, it is shown that the next-to-leading order corrections are required to construct observables which entail robust predictions. The results for the next-to-leading order in the QCD coupling constant presented in this thesis were the first ones given for resonant heavy Higgs production and decay into top-quark pairs.