Un des problèmes les plus intrigants de la physique moderne est l'identification de la nature d'une composante de matière non-relativiste présente dans l'univers, contribuant à plus de 25% de sa densité d'énergie totale, appelée matière noire. Les particules "WIMPs" (Weakly Interacting Massive Particles) sont parmi les catégories de candidats à la matière noire les plus considérées. Cependant, en l'absence de résultats concluants d'expériences de détection directe, indirecte et auprès de collisionneurs de particules, la première partie de cette thèse est dévouée à l'étude du paradigme "WIMP" dans le contexte de modèles simplifiés. Des modèles considérant des extensions de jauge sont étudiés par la suite tels que des théories présentant des couplages de Chern-Simons ainsi qu'un modèle motivé par l'observation récente d'anomalies dans le domaine de la physique la saveur lié à l'observable RK(*). La deuxième partie de cette thèse est dévouée à l'étude de mécanismes alternatifs de production thermique de matière noire en particulier en considérant une réalisation spécifique du mécanisme "SIMP" (Strongly Interacting Massives Particles) dans le contexte d'une symétrie de jauge non-abélienne cachée. Dans une dernière partie, la possibilité de produire une composante de matière noire de manière non-thermique à travers le mécanisme "freeze-in" est étudiée. En particulier, le fort impact de l'époque post-inflationnaire de l'univers sur la production de densité de matière noire est illustré par l'étude d'un modèle de matière noiremédiée par un champ de spin 2 massif en plus du graviton standard. / One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25% of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by some recently observed flavor anomalies related to the RK(*) observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the postinationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

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This dissertation is focused on three lines of work. In the first part, we consider aspects of holography and gauge/gravity duality in lower and higher dimensions. In particular, we study the duality for exact solutions localized on the Randal-Sundrum 2-branes. We also test if some holographic principles in general relativity can be generalized to include higher derivative theories of gravity; namely Lovelock gravity. In the second part we consider the role of pseudo Nambu-Goldstone bosons (pNGBs) in inflationary cosmology. Specifically, we construct an inflationary model using string theory axions, and use these pNGBs to produce the observed coherent magnetic field in the Universe. The third part of the thesis is devoted to the study of the phenomenology of emergent phenomena. we investigated whether one could test if diffeomorphism invariance, the sacred symmetry of general relativity, is emergent. We also construct a new minimal vectorial Standard Model, and argue that the absence of mirror particles predicted by this model can give us a hint about the fundamental nature of space.

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After a long history of searches, a Higgs boson H was discovered by the ATLAS and the CMS experiments at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012. Its properties fit well the ones predicted by the Standard Model (SM) of particle physics. However, the SM can not explain other established properties of Nature, such as the existence of Dark Matter. For this reason, models beyond the SM should be considered. Such models often predict the existence of several Higgs bosons and this thesis explores some of those models. In particular, the possibility to discover a charged Higgs boson, which would be a clear sign of physics beyond the SM, is studied. A commonly studied extension of the SM is the framework of two-Higgs-doublet models (2HDMs), where there are five Higgs bosons. By confronting the parameter spaces of some 2HDMs with publically available data from the LHC, the prospects for finding the 2HDM Higgs bosons is presented through the calculation of production cross sections and decay branching ratios in various channels. A new kind of 2HDM, called the Stealth Doublet Model is presented and the properties of the Higgs bosons are studied. In this model, it is shown that in particular the properties of the charged Higgs boson H± have new features not exhibited in earlier studied models. Within the parameter space compatible with the LHC results, the production cross section for H± can be sizeable enough to be experimentally observed. Finally, the discovery prospects at the LHC, for a H± in the pp → tH± process, with the decays H± → HW± and H → bb, is studied in various models beyond the Standard Model. It is shown that for the supersymmetric models, this channel is beyond the discovery reach of the LHC. In some of the other studied models, in particular the Aligned 2HDM, the situation is improved and the channel is feasible.

Les modèles SU(2)xSU(2)xU(1) représentent une étape intermédiaire motivée par l'unification des groupes de jauge du Modèle Standard (MS). Un groupe de jauge étendu, par rapport a celui du MS, implique l'existence de nouveaux bosons de jauge, neutres et charges. Ces bosons dénotés Z' et W' sont recherches activement au Large Hadron Collider (LHC). Sur la base d'une analyse globale récente des contraintes sur ces modèles, provenant des expériences a basse énergie et du LEP, nous effectuons une analyse numérique au Leading Order (LO) des différentes signatures au LHC. Nous montrons que les sections efficaces totales pour les leptons et les paires de quarks de troisième génération, expérimentalement facilement accessibles, fournissent individuellement qu'uneinformation partielles sur le modèle réalise dans la nature. En revanche, les corrélations de ces mêmes sections efficaces pourraient bien conduire a une identification unique. Par la suite, nous étudions la production électrofaible d'une paire de quarks top au Next-to-Leading Order dans les extensions du MS prédisant un boson Z' supplémentaire et en supposant des couplages génériqueset diagonaux dans la base des saveurs. Nous calculons les corrections virtuelles et réelles a l'ordre de O(alS*alW^2) et les implémentons dans le générateur d'événements Monte Carlo POWHEG BOX qui permet de réaliser de manière cohérente la fusion du calcul QCD NLO avec les parton showers. Nousconstatons que les corrections QCD NLO peuvent être très importantes, mais que les K-facteurs restent modestes dans la région de masse invariante centrée autour de la masse de la résonance. / General SU(2)x SU(2)x U(1) models represent a well-motivated intermediate step towards the unication of the Standard Model (SM) gauge groups. Extended gauge group sector, as compared to that of the SM, leads to additional neutral and charged gauge bosons. These so-called Z' and W' bosons are actively searched for at the Large Hadron Collider (LHC). Based on a recent global analysis of low-energy and LEP constraints of these models, we perform numerical scans of their various signals at the LHC at Leading Order accuracy. We show that total cross sections for lepton and third-generation quark pairs, while experimentally easily accessible, provide individually only partial information about the model realized in Nature. In contrast, correlations of these cross sections in the neutral and charged current channels may well lead to a unique identification. Subsequently we study the electroweak top-pair production at Next-to-leading Order (NLO) accuracy in the SM extensions with an additional Z' boson assuming general flavour-diagonal couplings. We calculate the virtual and real corrections at order O(alS*alW^2) and implement them in the POWHEG BOX framework which allows for consistent matching of NLO QCD calculations with parton showers. We find that the NLO corrections can be very important but the K-factors in the invariant mass region around the resonance mass are modest.

Orientador: Orlando Luis Goulart Peres / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T13:51:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lessa_AndrePaniago_M.pdf: 1406320 bytes, checksum: ef9057a3046500f72b58ec6a9a5e266f (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O modelo padrão das partículas elementares, baseado na invariância de Lorentz e na simetria de gauge SU(3)c Ä SU(2)L Ä U(1)Y, foi confirmado por todos os testes experimentais até o momento. No entanto, nada nos garante que é este o modelo final das interações fundamentais. Problemas teóricos como a hierarquia, o número de gerações de partículas e a assimetria bariônica e alguns dados experimentais (neutrinos massivos, matéria e energia escura) sugerem a necessidade de física além do Modelo Padrão (SM). Alguns destes problemas são resolvidos em uma importante classe de modelos, que assumem a existência de simetrias espaciais adicionais, chamada de supersimetria. A proposta deste projeto é estudar a idéia de supersimetria e sua possível relevância para a física além do Modelo Padrão. Para entendermos o princípio da supersimetria, iremos construir o Modelo Padrão Supersimétrico Mínimo (MSSM) e apresentar algumas de suas conseqüências fenomenológicas. Também serão apresentados os modelos mSUGRA e mGMSB, assim como algumas de suas principais características. Em Anexo apresentaremos algumas informações complementares, além de um trabalho desenvolvido em paralelo com o projeto de Mestrado / Abstract: The standard model of elementary particles, based in Lorentz invariance and in the gauge symmetries SU(3)c Ä SU(2)L Ä U(1)Y, was confirmed by all experimental data so far. However there is no evidence that it is the final theory of fundamental interactions. In fact, several theoretical evidences, such as the hierarchy problem, baryogenesis and the number of families and a few experimental data (neutrino masses, dark matter and dark energy) suggest that we should look for physics beyond the Standard Model (SM). Some of these problems are solved in an important class of models, which assume the existence of additional spatial symmetries, called supersymmetry. The objective of this thesis is to study the concept of supersymmetry and its potential relevance to the physics beyond the Standard Model. To understand the principle of supersymmetry we will construct the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and present some of its phenomenological consequences. We will also present the mSUGRA and mGMSB models, as well as some of its properties. In the Appendix we show some complementary information and a parallel work developed during this project / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

Nous abordons le problème de la recherche indépendante du modèle pour la Nouvelle Physique (NP), au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) en utilisant le détecteur ATLAS. Une attention particulière est accordée au développement et à la mise à l'essai de nouvelles techniques d'apprentissage automatique à cette fin. Le présent ouvrage présente trois résultats principaux. Tout d'abord, nous avons mis en place un système de surveillance automatique des signatures génériques au sein de TADA, un outil logiciel d'ATLAS. Nous avons exploré plus de 30 signatures au cours de la période de collecte des données de 2017 et aucune anomalie particulière n'a été observée par rapport aux simulations des processus du modèle standard. Deuxièmement, nous proposons une méthode collective de détection des anomalies pour les recherches de NP indépendantes du modèle au LHC. Nous proposons l'approche paramétrique qui utilise un algorithme d'apprentissage semi-supervisé. Cette approche utilise une probabilité pénalisée et est capable d'effectuer simultanément une sélection appropriée des variables et de détecter un comportement anormal collectif possible dans les données par rapport à un échantillon de fond donné. Troisièmement, nous présentons des études préliminaires sur la modélisation du bruit de fond et la détection de signaux génériques dans des spectres de masse invariants à l'aide de processus gaussiens (GPs) sans information préalable moyenne. Deux méthodes ont été testées dans deux ensembles de données : une procédure en deux étapes dans un ensemble de données tiré des simulations du modèle standard utilisé pour ATLAS General Search, dans le canal contenant deux jets à l'état final, et une procédure en trois étapes dans un ensemble de données simulées pour le signal (Z′) et le fond (modèle standard) dans la recherche de résonances dans le cas du spectre de masse invariant de paire supérieure. Notre étude est une première étape vers une méthode qui utilise les GPs comme outil de modélisation qui peut être appliqué à plusieurs signatures dans une configuration plus indépendante du modèle. / We address the problem of model-independent searches for New Physics (NP), at the Large Hadron Collider (LHC) using the ATLAS detector. Particular attention is paid to the development and testing of novel Machine Learning techniques for that purpose. The present work presents three main results. Firstly, we put in place a system for automatic generic signature monitoring within TADA, a software tool from ATLAS. We explored over 30 signatures in the data taking period of 2017 and no particular discrepancy was observed with respect to the Standard Model processes simulations. Secondly, we propose a collective anomaly detection method for model-independent searches for NP at the LHC. We propose the parametric approach that uses a semi-supervised learning algorithm. This approach uses penalized likelihood and is able to simultaneously perform appropriate variable selection and detect possible collective anomalous behavior in data with respect to a given background sample. Thirdly, we present preliminary studies on modeling background and detecting generic signals in invariant mass spectra using Gaussian processes (GPs) with no mean prior information. Two methods were tested in two datasets: a two-step procedure in a dataset taken from Standard Model simulations used for ATLAS General Search, in the channel containing two jets in the final state, and a three-step procedure from a simulated dataset for signal (Z′) and background (Standard Model) in the search for resonances in the top pair invariant mass spectrum case. Our study is a first step towards a method that takes advantage of GPs as a modeling tool that can be applied to several signatures in a more model independent setup.

L'étude de l'universalité de la saveur des leptons est actuellement un sujet prometteur pour tester la présence de contributions de nouvelle physique dans des processus décrits par le Modèle Standard. Les mesures de désintégrations semitauoniques sont particulièrement intéressantes car de possibles couplages de nouvelle physique au lepton τ pourraient être accrus par rapport aux deux autres leptons du fait de sa masse. Les mesures expérimentales des rapports de branchement des désintégrations B->D*τν et B->Dτν sont présentement en tension avec les prédictions théoriques à la hauteur de 3.78σ. De nouvelles mesures ainsi que l'étude de nouveaux canaux sont ainsi indispensables pour comprendre l'origine de ce désaccord. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle technique pour reconstruire le lepton τ via sa désintégration en trois pions et son usage pour mesurer des rapports de rapports de branchements pour deux désintégrations B->D*τν et Λb->Λcτν par rapport aux mêmes désintégrations impliquant des muons. Ces rapports sont respectivement dénommés R(D*) et R(Λc). R(D*) est mesuré en utilisant les 3 fb⁻¹ de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb pendant le Run1 du LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV via la reconstruction du τ en trois pions. Le résultat obtenu R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à 1σ près tout en étant cohérent avec les mesures précédemment effectuées. Sa précision permet aussi de conforter le désaccord entre la combinaison des mesures et la prédiction théorique. Ces mêmes données sont aussi analysées dans cette thèse afin d'étudier la désintégration Λb->Λcτν observée pour la première fois avec une significance de 5.7σ. Les incertitudes statistiques et systématiques sont aussi estimées et R(Λc) peut s'écrire R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) avec la valeur centrale encore masquée à ce jour. / Probing Lepton Flavour Universality has been recently a very promising topic to test for the presence of New Physics contributions in Standard Model processes. Measurements involving semitauonic decays are interesting as potential New Physics couplings to the τ-lepton could be enhanced with respect to the two other leptons due to its mass. Experimental measurements of B->D*τν and B->Dτν branching fractions are currently in tension with theoretical predictions at the 3.78σ level. Both precise measurements and analyses of new channels are thus required to understand the source of this disagreement. The work presented in this thesis describes the use of a new technique to reconstruct τ-lepton using its decay into three pions and its use to measure ratios of branching fractions for two decays B->D*τν and Λb->Λcτν with respect to the same decays involving a muon, these ratios are referred to as R(D*) and R(Λc). Using the 3 fb⁻¹ of proton-proton collisions recorded by the LHCb detector during the LHC Run1 at a centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV, R(D*) was measured using the three-pions reconstruction for the τ to be R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) This result is compatible with the Standard Model expectation at the 1σ level and is consistent with previous measurements. Its precision is able to slightly enforce the disagreement between the combination of the measurements with the theoretical prediction. The same dataset is also analysed in this thesis to study the Λb->Λcτν decay which is observed for the first time with a significance of 5.7σ. Both statistical and systematic uncertainties were estimated and R(Λc) can then be expressed as R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) with its central value remaining blind at the moment.