A search for vector-like quarks (VLQs) decaying to a Z boson using multi-stage machine learning was compared to a search using a standard square cuts search strategy. VLQs are predicted by several new theories beyond the Standard Model. The searches used 20.3 inverse femtobarns of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV collected with the ATLAS detector in 2012 at the CERN Large Hadron Collider. CLs upper limits on production cross sections of vector-like top and bottom quarks were computed for VLQs produced singly or in pairs, Tsingle, Bsingle, Tpair, and Bpair. The two stage machine learning classification search strategy did not provide any improvement over the standard square cuts strategy, but for Tpair, Bpair, and Tsingle, a third stage of machine learning regression was able to lower the upper limits of high signal masses by as much as 50%. Additionally, new test statistics were developed for use in the Neyman construction of confidence regions in order to address deficiencies in current frequentist methods, such as the generation of empty set confidence intervals. A new method for treating nuisance parameters was also developed that may provide better coverage properties than current methods used in particle searches. Finally, significance ratio functions were derived that allow a more nuanced interpretation of the evidence provided by measurements than is given by confidence intervals alone.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach vektorartigen Quarks (VLQs) beim Zerfall in ein W-Boson und ein b-Quark vorgestellt. Die Suche wird mit Proton-Proton-Kollisionsdaten durchgeführt, die vom ATLAS-Detektor am CERN bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 13 TeV zwischen 2015 und 2018 während dem LHC Run II gesammelt wurden. Die Existenz von VLQs wird von mehreren Theorien jenseits des Standardmodells postuliert, zudem sind VLQs ein einfaches Beispiel für Fermionen mit Farbladung, die immer noch mit experimentellen Beobachtungen konsistent sind. Diese Arbeit konzentriert sich auf den Fall, dass ein einzelnes VLQ erzeugt wird und in ein b-Quark und ein W-Boson zerfällt, das dann wiederum in ein geladenes Lepton und ein Neutrino zerfällt. Diese Suche schließt sich an mehrere Suchen nach einzeln und paarweise erzeugten VLQs am LHC an, die sowohl bei ATLAS als auch bei CMS durchgeführt wurden und deren Existenz bis zu einer Masse von über 1 TeV ausgeschlossen haben. Bei einer Masse von etwa 1.8 TeV wird ein Überschuss von 3.7 σ gegenüber der Vorhersage des Standardmodells beobachtet. Einige mögliche Masse/Kopplungskombinationen werden durch diese Analyse ausgeschlossen. Dies ist jedoch weniger Parameterraum als aufgrund eines unerwarteten Überschusses an beobachteten Ereignissen erwartet wurde. / In this thesis, a search for vector-like quarks (VLQs) decaying into a W-boson and a b-quark is presented. The search is performed on proton-proton collision data collected by the ATLAS detector at CERN at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV between 2015 and 2018, during Run II of the LHC. The existence of VLQs is consistent with several Beyond the Standard Model theories and VLQs are a simple example of coloured fermions that are still consistent with experimental observations. This work focuses on the case where a single VLQ is produced and decays to a b- quark and a W-boson, which then decays to a charged lepton and a neutrino. This search follows on several searches for singly- and pair-produced VLQs at the LHC from both ATLAS and CMS, which have excluded their existence up to over 1 TeV, and this search considers VLQs in a mass range from 1 TeV to 2.7 TeV. An excess over the Standard Model (SM) prediction of 3.7 σ is observed at a mass of around 1.8 TeV. Some possible mass/coupling combinations are excluded by this analysis. However, this is less parameter space than was expected due to an unexpected excess of observed events.

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.