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.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la matière constituée de particules élémentaires qui interagissent via les interactions fortes et électrofaibles. Le quark top est le quark le plus lourd décrit par ce modèle et a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et DO dans les collisions proton-antipronton du Tevatron. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paire de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant un lepton, un tau hadronique, deux jets de b et de l'énergie tranverse manquante. Cette analyse utilise les données collectées entre juillet 2006 et août 2007, soit une luminosité de 1,2 fb-1, qui sont combinées avec les données du Run IIa pour atteindre une luminosité de 2,2 fb-1. Une partie du travail de thèse fut consacrée au système de déclenchement du détecteur D0 et en particulier à l'identification des leptons taus au niveau 3 du système de déclenchement et aux déclenchements basés sur la présence de jets et d'énergie tranverse manquante. La problématique de la résolution en énergie des jets est également abordée, sous l'angle de l'intercalibration en eta du calorimètre hadronique et avec l'utilisation du détecteur de pied de gerbe central dans la définition de l'énergie des jets. La section efficace de production de paires de quark top obtenue est 7,32+1,34-1,24(stat)+1,20-1,06(syst)+-0,45(lumi)pb. Cette mesure est en accord avec les prédictions du modèle standard et permet de contraindre la présence de nouvelle physique, telle que l'existence d'un boson de Higgs plus léger que le quark top. Une limite d'exclusion a ainsi été obtenue dans le plan (tan beta,mH+-) et est présentée dans la dernière partie de ce manuscrit.

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In this thesis we investigate strongly-correlated states of ultracold bosonic atoms in rotating ring lattices and arrays of double-well potentials. In the first part of the thesis, we study the tunneling dynamics of ultracold bosons in double-well potentials. In the non-interacting limit single-particle transitions dominate, while in the interaction-dominated regime correlated tunneling of all particles prevails. At intermediate times of the many-particle flopping process correlated states occur, but the timescales of these processes increase dramatically with the number of particles. Using an array of double-well potentials, a large number of such few-particle superposition states can be produced in parallel. In the second part of the thesis, we study the effects of rotation on ultracold bosons confined to one-dimensional ring lattices. We find that at commensurate filling there exists a critical rotation frequency, at which the ground state of the weakly-interacting gas is fragmented into a macroscopic superposition of different quasi-momentum states. We demonstrate that the generation of such superposition states using slightly non-uniform ring lattices has several practical advantages. Moreover, we show that different quasi-momentum states can be distinguished in time-of-flight absorption imaging and propose to probe correlations via the many-body oscillations induced by a sudden change in the rotation frequency. Finally, we compare these macroscopic superposition states to those occurring in superconducting quantum interference devices. In the third part of the thesis, we demonstrate the creation of entangled states with ultracold bosonic atoms by dynamical manipulation of the shape of the lattice potential. To this end, we consider an optical superlattice that allows both the splitting of each site into a double-well potential and the variation of the height of the potential barrier between the sites. We show how to use this array of double-well potentials to perform entangling operations between neighboring qubits encoded on the Zeeman levels of the atoms. As one possible application, we present a method of realizing a resource state for measurement-based quantum computation via Bell-pair measurements. In the final part of the thesis, we study ultracold bosons on a two-dimensional square lattice in the presence of an effective magnetic field and point out a couple of features this system has in common with ultracold bosons in one-dimensional rotating ring lattices.

Orientador: Julio Marny Hoff da Silva / Banca: Marcelo B. Hott / Banca: Humberto B. Junior / Resumo: Nesta dissertação estudamos soluções do tipo vórtices, devido a quebra espontânea da simetria, no modelo de Higgs abeliano local e semilocal, modelo de Higgs semilocal com termo de quebra de Lorentz e Chern-Simons semilocal. Fazendo uso do método de Bogomol.nyi para saturar a energia e usando condições de contorno apropriadas, encontramos vórtices de energia .nita. Para garantir a estabilidade destas soluções precisamos introduzir o conceito de Topolo- gia. Associado àquele conceito vamos estudar a variedade do vácuo, devido a quebra espontânea da simetria em cada modelo que estudamos. Vamos a fazer uso do limite de Bradlow, com a .nalidade de ter uma expressão para a vorticidade e saber como ela pode estar limitada em uma determinada área. Para entendermos como a variedade do vácuo está associada com o grupo de simetria do modelo, é que abordamos o modelo de cordas semilocais. Na análise do modelo com quebras de Lorentz, estudamos um termo que está relacionado com o fenômeno de não birrefringência no setor de gauge do Modelo Padrão Estendido. Aqui encontramos que as soluções dos vórtices e a vorticidade são controladas pelo termo violador de simetria Lorentz. Por .m vamos estudar vórtices carregados no modelo de Higgs abeliano, o qual corresponde ao modelo de Chern-Simons / Abstract: In this thesis we study vortex solutions, because of spontaneous symmetry breaking, abelian Higgs model in local and semilocal, Higgs model with semilocal term break Lorentz and Chern- Simons semilocal. Making use of the method Bogomol.nyi to saturate the energy and using appropriate boundary conditions, we .nd .nite energy vortices. To ensure the stability of the solutions we must to introduce the concept of Topology. Associated with that concept we study the variety of vacuum due to spontaneous broken symmetry in each studied model. Let us to make use of limit Bradlow, in order to have an expression for the vorticity and how it may be limited in a certain area. To understand how a variety of vacuum is associated with the symmetry group of the model, the model approach is that semilocal strings. The analysis of the model with breaks Lorentz studied a term that is related to the phe- nomenon of birefringence in sector of gauge of the Standard Model extended. Here we .nd that the solutions of the vortices and vorticity are controlled by the violator term of Lorentz symmetry. Finally we will study charged vortices in abelian Higgs model, which corresponds to the Chern-Simons model / Mestre

Le Higgs est la seule particule du modèle standard qui résiste encore à la découverte. Ainsi le mécanisme de la brisure spontanée de la symétrie électrofaible qui fait intervenir le champ scalaire de Higgs pour générer les masses des bosons et des fermions, reste un mystère de la physique des particules. <br /><br />Dans cette thèse, on explore de manière approfondie ce secteur scalaire du modèle standard où réside le Higgs ainsi que les autres Goldstones. Et pour réaliser cette tâche, les meilleures sondes sont d'une part les bosons vecteurs massifs avantagés par leurs couplages au Higgs et par le fait que leurs modes longitudinaux représentent les Goldstones; et d'autre part le quark top avantagé par sa masse qui est de l'ordre de grandeur de l'échelle de la brisure de la symétrie életrofaible, lui conférant ainsi une fort couplage de yukawa, d'où sa trés grande sensiblité au secteur de la brisure de symétrie.<br /><br />La masse du Higgs étant inconnue, on balaie alors tout le spectre. Ainsi, dans un premier volet, on s'interesse au cas du Higgs léger et moyennement lourd. Et comme pour pouvoir décéler, de manière univoque, un signal de nouvelle physique de celui que donnerait le modèle standard, il faut pousser au moins à d'odre de la précision expérimentale, la précision des calculs effectués via le modèle standard. On commence alors par pousser les calculs des sections efficaces électrofaibles et QCD des processus ${W^-W^+ \to t\bar{t}}$ et ${ZZ \to t\bar{t}}$ jusqu'à l'ordre de la boucle. Ceci nécessite au préalable, la renormalisation des secteurs électrofaibles scalaires et spinoriels ainsi qu'une bonne maîtrise des techniques de calcul sous-jacentes.<br />Puis pour faire la part des contributions purement électrofaibles propres aux processus d'intérêts, on établit une formule analytique permettant de quantifier la contribution photonique universelle.<br />Ensuite, pour voir comment peut se révéler un signal de nouvelle physique, on traite l'influence sur les sections efficaces différentielles angulaires, d'opérateurs effectifs paramétrant le secteur de la brisure de la symétrie.<br />Pour enfin inclure les faisceaux de bosons vecteurs massifs dans une approche fonction de structure pour une phénoménologie au plus puissant collisionneur hadronique d'aujourd'hui: le LHC (Large Hadron Collider) et au collisionneur leptonique du futur proche: l'ILC (International Linear Collider).<br /><br />Dans le deuxième volet de cette thèse, on traite du cas du Higgs lourd violant le principe d'unitarité perturbative. On suit alors la procédure initiée par Contogouris, et on construit un modèle dispersif pour l'amplitude du processus $W_LW_L \to W_LW_L$. A hautes énergies, la résolution numérique de l'équation intégrale qui découle de notre construction, nous permet de mettre en évidence, à travers les résonances de l'amplitude dispersive, les manifestations d'un comportement en force forte de l'interaction électrofaible. Une analyse attentive des résultats qu'on obtient, nous permet d'une part d'estimer la valeur de la masse d'un Higgs lourd et d'autre part d'extraire une nouvelle limite pour la validité du calcul perturbatif dans la théorie électrofaible.

Cette thèse porte sur le problème de la Matière Noire astrophysique et cosmologique.<br /><br />Dans les quatre premiers chapitres sont exposés succinctement le Modèle Standard Cosmologique, les observations démontrant la présence d'énergie et de matière noires, les modèles de matière noire les plus étudies, et diferents modèles cosmologiques ou astrophysiques reposant sur des champs scalaires. Dans les trois chapitres suivants est détaillé un modèle de matière noire bosonique basé sur l'existence d'un champ scalaire complexe et chargé dans U(1). Nous verrons que couple a un potentiel quadratique, un tel champ est susceptible d'expliquer les courbes de rotation des galaxies, tout en conservant depuis la recombinaison un comportement cosmologique de matière. Nous nous intéresserons ensuite au cas du potentiel quartique, et nous montrerons d'une part que son comportement cosmologique est lui aussi relativement bon, et d'autre part qu'il explique bien les courbes de rotation des galaxies spirales de petite taille, si problématiques pour de nombreux modèles de matière noire.

Le LHC est un collisionneur proton-proton avec une énergie de 14 TeV disponible dans le centre de masse, qui entrera en service courant 2007 au CERN. Deux de ses expériences, ATLAS et CMS, rechercheront et étudieront notamment le boson de Higgs, la Supersymétrie et toute autre nouvelle physique. Cette thèse porte sur deux aspects de l'expérience ATLAS : • d'une part la simulation du calorimètre électromagnétique à Argon liquide, en particulier la reproduction de la chaîne d'électronique pour la numérisation du signal et l'estimation du bruit d'électronique et du bruit d'empilement (dû aux événements résultant des collisions élastiques au LHC). Ces deux points ont été validés par l'analyse des données des tests en faisceau de 2002 et 2004. • d'autre part une étude de physique portant sur le modèle du Petit Higgs. Ce modèle récent a pour but de résoudre le problème de hiérarchie du Modèle Standard en introduisant de nouvelles particules lourdes pour annuler les divergences quadratiques dans le calcul de la masse du boson de Higgs. Ces nouvelles particules, d'une masse de l'ordre du TeV/c2, sont un quark top lourd, des bosons de jauges lourds ZH, WH et AH, et enfin un triplet de Higgs lourds. L'étude de physique a porté sur les désintégrations caractéristiques du modèle, ZH en Z+H et WH en W+H, avec un Higgs soit d'une masse de 120 GeV/c2 se désint´egrant en deux photons, soit de 200 GeV/c2 se désintégrant en ZZ ou WW. Les résultats montrent dans les deux cas, pour 300 fb−1 (3 ans de fonctionnement à haute luminosité), une observation du signal à 5 écart-types pour des masses de ZH et WH inférieures à 2 TeV/c2, couvrant une large partie de l'espace des paramètres.

La résolution du problème à N-corps constitue aussi bien en mécanique classique qu'en mécanique quantique un des grands enjeux de la physique. En physique nucléaire, diverses méthodes ont été développées pour obtenir des solutions approchées permettant de décrire convenablement les propriétés des noyaux (spectres, transitions électromagnétiques...). Dans cette thèse, nous avons tout d'abord rappelé comment les symétries pouvaient être utilisées pour obtenir des solutions exactes. Nous avons notamment insisté sur le rôle occupé par l'algèbre unitaire en mécanique quantique et nous avons développé et implémenté une façon de construire les représentations irréductibles de cette algèbre à partir d'un état dit de poids maximal et dans lesquelles ont été calculés les spectres de systèmes bosoniques et fermioniques aussi bien avec des interactions réalistes qu'avec des interactions aléatoires. L'utilisation d'interactions aléatoires à 1- et 2-corps conservant le moment angulaire a révélé que certaines caractéristiques des spectres (état fondamental de moment angulaire nul, existence de bandes rotationnelles, vibrationnelles...) étaient robustes. Ainsi dans une seconde partie, nous avons montré que le choix de l'espace de valence conditionne fortement les spectres possibles d'un système quantique : en particulier, nous avons élaboré une méthode géométrique qui, dans certains cas, permet de prévoir les propriétés du fondamental. Nous avons également présenté des résultats numériques dans des situations où la méthode géométrique ne s'applique pas. Dans la dernière partie, nous nous sommes intéressés au lien entre le chaos et les spectres des noyaux obtenus avec des interactions réalistes.

Die Dynamik anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachter wechselwirkender Quantenvielteilchensysteme wirft aktuell noch spannende Fragen auf. In Bezug auf die Thermalisierung ist z.B. nach wie vor ungeklärt, in welcher Form sie überhaupt stattfindet und in welchen Observablen bzw. auf welcher Zeitskala sie zu beobachten ist. Eine ideale Grundlage zur Erforschung von Relaxationsdynamiken in wechselwirkenden Vielteilchensystemen bieten ultrakalte Quantengase aufgrund ihrer guten Kontrollier- und Variierbarkeit. Ein allgemeiner theoretischer Rahmen, auf dessen Basis solche Prozesse zu untersuchen sind, steht jedoch infolge der großen Anzahl der beteiligten Freiheitsgrade bisher nicht zur Verfügung. Für ultrakalte bosonische Gase stellt die Gross-Pitaevskii-Gleichung eines der wichtigsten theoretischen Werkzeuge dar, eine klassische Feldgleichung für die Kondensatwellenfunktion in Molekularfeldnäherung. Die ihr zugrunde liegende Näherung erlaubt jedoch keine nicht-trivialen Aussagen über den vollen N-Teilchenzustand, dessen Kenntnis für die Untersuchung einer möglichen Relaxationsdynamik unabdingbar ist. Um der theoretischen Beschreibung des vollen bosonischen Feldes einen Schritt näher zu kommen, untersucht die vorliegende Arbeit die Anwendung semiklassischer Methoden auf ultrakalte Bosegase. Diese sind in der Regel dann sehr genau, wenn die beteiligten Wirkungen groß gegenüber dem Planckschen Wirkungsquantum sind. Für bosonische Felder wird dieser Grenzfall durch die Bedingung einer großen Teilchenzahl ersetzt. Die immense Anzahl an Teilchen in den hier behandelten Vielteilchensystemen macht die Anwendung semiklassischer Methoden auf diesem Gebiet also vielversprechend. Als zentrales Modellsystem wird ein anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachtes ultrakaltes bosonisches Doppelmuldensystem betrachtet, das eine hochinteressante Dynamik aufweist, die auf das Wechselspiel der Tunneldynamik einerseits und der Wechselwirkung der Teilchen untereinander andererseits zurückzuführen ist. Als Referenz lassen sich aufgrund der speziellen Fallengeometrie im Rahmen der Zwei-Moden-Näherung die Ergebnisse einer numerisch exakten Untersuchung heranziehen. Durch den Einsatz der namhaften WKB-Quantisierung und des besonders aus der Molekülphysik bekannten Reflexionsprinzips wird hier ein geschlossener analytischer Ausdruck für die sogenannte Populationsdifferenz im Doppelminimum hergeleitet, der ausschließlich von den wenigen relevanten Systemparametern abhängt. Diese mächtige Formel erlaubt es nun zum ersten Mal, in quantitativer Weise die charakteristische Sequenz aus Oszillationen, Kollapsen und Revivals in Abhängigkeit der vorausgesetzten Parameter zu untersuchen. Nach dieser ersten erfolgreichen Anwendung semiklassischer Methoden im Modellsystem wird über die reduzierte Dynamik der Populationsdifferenz hinausgegangen. Mithilfe des semiklassischen Herman-Kluk-Propagators lässt sich selbst der volle N-Teilchenzustand untersuchen. Da es letztlich um die Beschreibung ultrakalter Bosonen in beliebigen Potentialen gehen soll, wird zunächst der Herman-Kluk-Propagator für eine Feldtheorie vorgestellt. Im Doppelmuldensystem zeigt sich dann in der Anwendung die semiklassische Propagation in der Lage, für alle untersuchten Parameterregime gute Übereinstimmung mit den numerisch exakten Ergebnissen zu liefern. Zusätzlich findet ein Abgleich der Resultate mit der Truncated Wigner Approximation statt, auf die im Forschungsgebiet ultrakalter Bosonen häufig zurück gegriffen wird. Diese beschreibt die Zeitentwicklung einer Wignerverteilung unter Aussparung der Quanteninterferenzen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Herman-Kluk-Propagation unter Berücksichtigung der Phasen weit über die Truncated Wigner Approximation hinausgeht: Sie gibt alle wichtigen Charakteristika der Dynamik im Doppelmuldensystem wieder. Um die Semiklassik auf ihre Aussagefähigkeit in Bezug auf eine noch komplexere Dynamik zu untersuchen, wird zum Abschluss das Drei-Topf-System betrachtet, das zusätzlich chaotische Regionen im Phasenraum aufweist. Auch hier zeigt sich, dass die semiklassische Berücksichtigung der Phasen die Truncated Wigner Approximation in den Schatten stellt. Allerdings ergeben sich durch die Instabilität der Trajektorien für stark chaotische Regime numerische Probleme, die es in der Zukunft zu lösen gilt. / The dynamics of initially non equilibrium interacting quantum many body systems is an ongoing and interesting field of research. It is still an open question in which form relaxation occurs in such systems, and in which observables and on which timescales a possible thermalization might appear. A perfect playground for the investigations of relaxation dynamics in interacting many body schemes is provided by ultracold quantum gases, which are easily to be controlled and varied in experiments. However, a general theoretical framework for the investigation of such processes is still missing, due to the huge amount of involved degrees of freedom. One of the main theoretical tools in the field of ultracold bosonic gases represents the famous Gross-Pitaevskii equation, a field equation for the Bose-Einstein condensate wave function in terms of a mean-field approximation. However, the underlying approximation prevents the possibility to draw non-trivial conclusions about the full N-particle state, the information of which is necessary for the analysis of relaxation processes. To gain the theoretical description of the full bosonic field, the present thesis deals with the application of semiclassical methods to ultracold boson gases. Those techniques become in general exact, as long as the involved actions are large compared to Planck's constant. For many body systems it turns out that semiclassics are expected to give good results also for the condition of high particle numbers, which is precisely fulfilled in these schemes, making the semiclassical approaches promising. As an essential model system an initially out of equilibrium ultracold bosonic double-well system is investigated. This configuration provides highly interesting dynamics due to the interplay of the tunneling dynamics on the one hand and the interaction amongst the particles on the other. The special trap geometry makes exact numerical calculations in the framework of the two-mode approximation available, which serve in the following as reference data. By applying the common semiclassical WKB approximation and the reflection principle known from molecule physics, a closed analytical expression for the so-called population imbalance of the bosons in the double-well is derived, depending only on the few relevant system parameters. This mighty formula allows for the first time the quantitative investigation of the characteristic sequence consisting of oscillations, collapse and revivals in dependence on the parameters of the system. Since the semiclassical approaches succeeded for the double-well model so far the so-called Herman-Kluk propagator is adopted, to go beyond the reduced dynamics of the population imbalance. The propagator provides the possibility to treat the full N-particle state theoretically and is introduced for the most general case of a bosonic quantum field. Its application to the double-well system yields for all investigated parameter regimes very good agreement with the numerical exact results. Furthermore the outcomes are compared to the Truncated Wigner approximation, which is frequently used in the research field of ultracold bosons. This approach pictures the time evolution of a Wigner distribution, without taking into account the quantum interferences. In the present thesis it is shown that the Herman-Kluk propagation goes clearly beyond the truncated Wigner approach by considering in addition the quantum phases: The propagator is able to reproduce all of the distinctive features of the double-well dynamics. In order to test the performance of semiclassical methods in matters of even more complex systems, the ultracold bosonic triple-well model is finally considered, which exhibits unlike the double-well scheme chaotic regions in phase space. It turns out that the semiclassical propagation outplays again the truncated Wigner approximation. On the other hand the instability of the highly chaotic trajectories causes numerical problems, which have to be solved in the future.