Eine Suche nach langlebigen, schweren neutralen Leptonen ($\mathcal{N}$) in 139~fb$^{-1}$ mit $\sqrt{s}=13$~TeV $pp$ Kollisionsdaten der Jahre 2015-2018 mit Hilfe des ATLAS-Detektors am Large Hadron Collider ist präsentiert. Die $\mathcal{N}$ werden in $W \rightarrow \mathcal{N} \mu$ oder $W \rightarrow \mathcal{N} e$ produziert und zerfallen in zwei geladene Leptonen und ein Neutrino. Die Zerfallsprodukte des $\mathcal{N}$ bilden eine einzigartige versetzte Vertex-Signatur. Die $\mathcal{N}$ Masse wird mit Hilfe einer neuartigen Technik rekonstruiert und genutzt, um zwischen Signal- und Untergrundereignissen zu differenzieren. Es wurden keine Signalereignisse beobachtet, Sensitivitätsgrenzen werden auf die quadrierten Mischungsparameter zwischen rechtshändigen und linkshändigen Neutrinos für den $\mathcal{N}$ Massenbereich von $3$~GeV~$< m_{\mathcal{N}} < 15$~GeV gesetzt. Zum ersten Mal werden diese Sensitivitätsgrenzen für Kopplungen für einen Neutino-Flavour, aber auch für Kopplungen für mehrere Neutrino-Flavour-Mischungsverhältnisse angegeben, die mit den gemessenen Neutrino-Oszillationsdaten für die invertierte und normale Massenhierarchie übereinstimmen. Zusätzlich zu der bereits abgeschlossenen Suche nach $\mathcal{N}$ werden laufende Aktivitäten skizziert, die 66~fb$^{-1}$ und $\sqrt{s}=13.6$~TeV $pp$ Kollisionsdaten der Jahre 2022-2023 des ATLAS-Detektors und semi-leptonische $\mathcal{N}$ Zerfälle in ein geladenes Lepton und ein geladenes Pion einbeziehen. / A search for a long-lived, heavy neutral lepton ($\mathcal{N}$) in 139~fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$~TeV $pp$ collision data collected between 2015 and 2018 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is presented. The $\mathcal{N}$ is assumed to be produced via $W \rightarrow \mathcal{N} \mu$ or $W \rightarrow \mathcal{N} e$ and decays into two charged leptons and a neutrino, forming a unique displaced vertex signature. A novel technique is used to reconstruct the $\mathcal{N}$ mass that discriminates between signal and background. No signal is observed, and limits are set on the squared mixing parameters of the $\mathcal{N}$ with the left-handed neutrino states for the $\mathcal{N}$ mass range $3$~GeV~$< m_{\mathcal{N}} < 15$~GeV. For the first time, limits are given for both single-flavour and multi-flavour mixing scenarios motivated by neutrino-flavour oscillation results for both the normal and inverted neutrino-mass hierarchies. In addition to the concluded search for $\mathcal{N}$, ongoing efforts are outlined that include 66~fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13.6$~TeV $pp$ collision data collected between 2022 and 2023 by the ATLAS detector and semileptonic $\mathcal{N}$ decays into a charged lepton and a charged pion.

There are experimental and theoretical indications that the Standard Model of particle physics, although tremendously successful, is not sufficient to describe the universe, even at energies well below the Planck scale. One of the most promising new theories to resolve major open questions, the Minimal Supersymmetric Standard Model, predicts additional neutral and charged Higgs bosons, among other new particles. For the search of the new heavy neutral bosons, the decay into two hadronically decaying tau leptons is especially interesting, as in large parts of the search parameter space it has the second largest branching ratio while allowing for a considerably better background rejection than the leading decay into b-quark pairs. This search, based on proton-proton collisions recorded at sqrt(s) = 13 TeV in 2015 and early 2016 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN, is presented in this thesis. No significant deviation from the Standard Model expectation is observed and CLs exclusion limits are determined, both model-independent and in various MSSM benchmark scenarios. The MSSM exclusion limits are significantly stronger compared to previous searches, due to the increased collision energy and improvements of the event selection and background estimation techniques. The upper limit on tan beta at 95% confidence level in the mhmod+ MSSM benchmark scenario ranges from 10 at mA = 300 GeV to 48 at mA = 1.2 TeV.

The search for additional heavy neutral Higgs bosons predicted in Minimal Supersymmetric Extensions of the Standard Model is presented, using the direct decay channel into two tau leptons which themselves decay hadronically. The study is based on proton-proton collisions recorded in 2011 at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. With a sample size corresponding to an integrated luminosity of 4.5 fb−1, no significant excess above the expected Standard Model background prediction is observed and CLs exclusion limits at a 95% confidence level are evaluated for values of the CP-odd Higgs boson mass mA between 140 GeV to 800 GeV within the context of the mhmax and mhmod± benchmark scenarios. The results are combined with searches for neutral Higgs bosons performed using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012, with a corresponding integrated luminosity of 19.5 fb−1. The combination allowed an improvement of the exclusion limit at the order of 1 to 3 units in tan β. Within the context of this study, the structure of additional interactions during a single proton-proton collision (the “underlying event”) in di-jet final states is analyzed using collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV recorded with the ATLAS detector in 2010, with a corresponding integrated luminosity of 37 pb−1. The contribution of the underlying event is measured up to an energy scale of 800 GeV and compared to the predictions of various models. For several models, significant deviations compared to the measurements are found and the results are provided for the optimization of simulation algorithms.

Le système online de l'expérience LHCb repose sur une large infrastructure informatique hétérogène, composée de milliers de serveurs sur lesquels de nombreuses applications différentes sont exécutées. Certaines applications sont critiques (prise de données, contrôle du détecteur), d'autres secondaires (serveurs web). Administrer un tel système et s'assurer de son bon fonctionnement représente une lourde charge de travail pour une petite équipe d'experts. Des recherches ont été menées afin d'automatiser certaines tâches d'administration système. En 2001, IBM définit les « self-objectives » sensés conduire à l' «autonomic computing» (informatique autonome). Dans ce contexte, nous présentons un framework basé sur l'intelligence artificielle et l'apprentissage par renforcement pour surveiller et diagnostiquer de manière non intrusive les systèmes et logiciels basés sur Linux. De plus, notre approche d’expérience partagée ainsi que notre architecture suivant le paradigme Objet permettent d'augmenter considérablement la vitesse d'apprentissage et de corréler les problèmes. / The LHCb online system relies on a large and heterogeneous IT infrastructure made from thousands of servers on which many different applications are running. They run a great variety of tasks : critical ones such as data taking and secondary ones like web servers. The administration of such a system and making sure it is working properly represents a very important workload for the small expert-operator team. Research has been performed to try to automatize (some) system administration tasks, starting in 2001 when IBM defined the so-called “self objectives” supposed to lead to “autonomic computing”. In this context, we present a framework that makes use of artificial intelligence and machine learning to monitor and diagnose at a low level and in a non intrusive way Linux-based systems and their interaction with software. Moreover, the shared experience approach we use, coupled with an "object oriented paradigm" architecture increases a lot our learning speed, and highlight relations between problems.

Die Physik des Top-Quarks ist eine Schlüsselkomponente im Forschungsprogramm des ATLAS-Experiments am CERN. In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Leistungfähigkeit von Jet-Triggern für Top-Quark-Ereignisse präsentiert und zwei datenbasierte Methoden zur Abschätzung der Multijet-Triggereffizienz und des W+Jets-Untergrundes in Top-Quark-Ereignissen in ATLAS eingeführt. In einer tag-and-probe Methode, basierend auf einer einfachen und allgemeinen Ereignisselektion und einem hochenergetischen Lepton als Tag, wird die Möglichkeit zur Bestimmung der Multijet-Triggereffizienz aus Daten heraus evaluiert, und es wird gezeigt, dass die Methode in der Lage ist, die Effizienz ohne signifikante Verfälschung durch die Tag-Selektion zu bestimmen. In der zweiten datenbasierten Analyse wird eine neue Methode zur Abschätzung des W+Jets-Untergrundes in ATLAS eingeführt. Durch die Definition von signal- und untergrunddominierten Bereichen in Jet-Muliplizität und Pseudorapidität des Leptons wird der Anteil der W+Jets-Ereignisse aus der untergrunddominierten in die signaldominierte Region extrapoliert. Es wird gezeigt, dass die Methode, mit einer integrierten Luminosität von 100 pb^−1 bei sqrt(s) = 10 TeV, in der Lage ist den Untergrundbeitrag als Funktion der Jet-Muliplizität mit etwa 25% Genauigkeit im Großteil der signaldominierten Region zu bestimmen. Diese Arbeit umfaßt zudem eine Studie zum thermischen Verhalten und der erwarteten thermischen Leistung des Pixel-Detektors in ATLAS. Alle Messungen, durchgeführt während der Inbetriebnahme des Systems in 2008/09, zeigen Ergebnisse innerhalb der Spezifikationen beziehungweise deuten auf deren Einhaltung auch nach mehreren Betriebsjahren unter LHC-Bedingungen hin. / The physics of the top quark is one of the key components in the physics programme of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. In this thesis, general studies of the jet trigger performance for top quark events using fully simulated Monte Carlo samples are presented and two data-driven techniques to estimate the multi-jet trigger efficiency and the W+Jets background in top pair events are introduced to the ATLAS experiment. In a tag-and-probe based method, using a simple and common event selection and a high transverse momentum lepton as tag object, the possibility to estimate the multijet trigger efficiency from data in ATLAS is investigated and it is shown that the method is capable of estimating the efficiency without introducing any significant bias by the given tag selection. In the second data-driven analysis a new method to estimate the W+Jets background in a top-pair event selection is introduced to ATLAS. By defining signal and background dominated regions by means of the jet multiplicity and the pseudo-rapidity distribution of the lepton in the event, the W+Jets contribution is extrapolated from the background dominated into the signal dominated region. The method is found to estimate the given background contribution as a function of the jet multiplicity with an accuracy of about 25% for most of the top dominated region with an integrated luminosity of above 100 pb^−1 at sqrt(s) = 10 TeV. This thesis also covers a study summarising the thermal behaviour and expected performance of the Pixel Detector of ATLAS. All measurements performed during the commissioning phase of 2008/09 yield results within the specification of the system and the performance is expected to stay within those even after several years of running under LHC conditions.

With only two ingredients, atomic nuclei exhibit a rich structure depending on the ordering of the different proton- and neutron-occupied states. This ordering can give rise to excited states with exceptionally long half-lives, also known as isomers, especially near shell closures. On-line mass spectrometry can often be compromised by the existence of such states that may even be produced in higher proportion than the ground state. This thesis presents the first results obtained from a nuclear spectroscopy setup coupled with the high-resolution Penning-trap mass spectrometer ISOLTRAP, at CERN’s radioactive ion beam facility ISOLDE. The isomerism in the neutron-deficient thallium isotopes was investigated. The data on 184,190,193−195 Tl allow an improvement of existing mass values as well as a mass-spin-state assignment in 190,193,194 Tl. Due to the presence of the ground and isomeric state for 194 Tl the excitation energy of the latter was determined for the first time experimentally. Systematic trends in the vicinity of the Z = 82 shell closure have been discussed.

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Die Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik stellte einen der Hauptgründe für den Bau des Large Hadron Colliders (LHC) dar, dem derzeit größten Teilchenphysik-Experiment der Welt. Die vorliegende Arbeit ist gleichfalls von dieser Suche getrieben. Der direkte Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen wird untersucht. Dieser Kanal hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Endzustand, bestehend aus zwei Myonen unterschiedlicher Ladung, leicht nachzuweisen und besitzt eine klare Signatur. Weiterhin ist die Massenauflösung hervorragend, sodass eine gegebenenfalls vorhandene Resonanz gleich in ihrer grundlegenden Eigenschaft - ihrer Masse - bestimmt werden kann. Leider ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von Myonen sehr selten. Lediglich etwa 2 von 10000 erzeugten Higgs-Bosonen zeigen diesen Endzustand . Außerdem existiert mit dem Standardmodellprozess Z/γ∗ → μμ ein Zerfall mit einer sehr ähnlichen Signatur, jedoch um Größenordnungen höherer Eintrittswahrscheinlichkeit. Auf ein entstandenes Higgs-Boson kommen so etwa 1,5 Millionen Z-Bosonen, welche am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV produziert werden. In dieser Arbeit werden zwei eng miteinander verwandte Analysen präsentiert. Zum einen handelt es sich hierbei um die Untersuchung des Datensatzes von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV, aufgezeichnet vom ATLAS-Detektor im Jahre 2012, auch als alleinstehende Analyse bezeichnet. Zum anderen erfolgt die Präsentation der kombinierten Analyse des kompletten Run-I Datensatzes, welcher aus Aufzeichnungen von Proton-Proton-Kollisionen der Jahre 2011 und 2012 bei Schwerpunktsenergien von 7 TeV bzw. 8 TeV besteht. In beiden Fällen wird die Verteilung der invarianten Myon-Myon-Masse nach einer schmalen Resonanzsignatur auf der kontinuierlichen Untergrundverteilung hin untersucht. Dabei dient die theoretisch erwartete Massenverteilung sowie die Massenauflösung des ATLAS-Detektors als Grundlage, um analytische Parametrisierungen der Signal- und Untergrundverteilungen zu entwickeln. Auf diese Art wird der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf Grund von ungenauer Beschreibung der Spektren in Monte-Carlo Simulationen verringert. Verbleibende systematische Unsicherheiten auf die Signalakzeptanz werden auf eine neuartige Weise bestimmt. Zusätzlich wird ein bisher einzigartiger Ansatz verfolgt, um die systematische Unsicherheit resultierend aus der Wahl der Untergrundparametrisierung in der kombinierten Analyse verfolgt. Zum ersten Mal wird dabei die Methode des scheinbaren Signals auf einem simulierten Untergrunddatensatz auf Generator-Niveau angewendet, was eine Bestimmung des Einflusses des Untergrundmodells auf die Anzahl der ermittelten Signalereignisse mit nie dagewesener Präzision ermöglicht. In keiner der durchgeführten Analysen konnte ein signifikanter Überschuss im invarianten Massenspektrum des Myon-Myon-Systems nachgewiesen werden, sodass obere Ausschlussgrenzen auf die Signalstärke μ = σ/σ(SM) in Abhängigkeit von der Higgs-Boson-Masse gesetzt werden. Dabei sind Stärken von μ ≥ 10,13 bzw. μ ≥ 7,05 mit einem Konfidenzniveau von 95% durch die alleinstehende bzw. kombinierte Analyse ausgeschlossen, jeweils für eine Higgs-Boson-Masse von 125,5 GeV. Die erzielten Ergebnisse werden ebenfalls im Hinblick auf die kürzlich erfolgte Entdeckung des neuen Teilchens interpretiert, dessen Eigenschaften mit den Vorhersagen eines Standardmodell-Higgs-Bosons mit einer Masse von etwa 125,5 GeV kompatibel sind. Dabei werden obere Grenzen auf das Verzweigungsverhältnis von BR(H → μμ) ≤ 1,3 × 10^−3 und auf die Yukawa-Kopplung des Myons von λμ ≤ 1,6 × 10^−3 gesetzt, jeweils mit einem Konfidenzniveau von 95%. / The search for the Standard Model Higgs boson was one of the key motivations to build the world’s largest particle physics experiment to date, the Large Hadron Collider (LHC). This thesis is equally driven by this search, and it investigates the direct muonic decay of the Higgs boson. The decay into muons has several advantages: it provides a very clear final state with two muons of opposite charge, which can easily be detected. In addition, the muonic final state has an excellent mass resolution, such that an observed resonance can be pinned down in one of its key properties: its mass. Unfortunately, the decay of a Standard Model Higgs boson into a pair of muons is very rare, only two out of 10000 Higgs bosons are predicted to exhibit this decay. On top of that, the non-resonant Standard Model background arising from the Z/γ∗ → μμ process has a very similar signature, while possessing a much higher cross-section. For one produced Higgs boson, there are approximately 1.5 million Z bosons produced at the LHC for a centre-of-mass energy of 8 TeV. Two related analyses are presented in this thesis: the investigation of 20.7 fb^−1 of the proton-proton collision dataset recorded by the ATLAS detector in 2012, referred to as standalone analysis, and the combined analysis as the search in the full run-I dataset consisting of proton-proton collision data recorded in 2011 and 2012, which corresponds to an integrated luminosity of L = 24.8 fb^−1 . In each case, the dimuon invariant mass spectrum is examined for a narrow resonance on top of the continuous background distribution. The dimuon phenomenology and ATLAS detector performance serve as the foundations to develop analytical models describing the spectra. Using these analytical parametrisations for the signal and background mass distributions, the sensitivity of the analyses to systematic uncertainties due to Monte-Carlo simulation mismodeling are minimised. These residual systematic uncertainties are addressed in a unique way as signal acceptance uncertainties. In addition, a new approach to assess the systematic uncertainty associated with the choice of the background model is designed for the combined analysis. For the first time, the spurious signal technique is performed on generator-level simulated background samples, which allows for a precise determination of the background fit bias. No statistically significant excess in the dimuon invariant mass spectrum is observed in either analysis, and upper limits are set on the signal strength μ = σ/σ(SM) as a function of the Higgs boson mass. Signal strengths of μ ≥ 10.13 and μ ≥ 7.05 are excluded for a Higgs boson mass of 125.5 GeV with a confidence level of 95% by the standalone and combined analysis, respectively. In the light of the discovery of a particle consistent with the predictions for a Standard Model Higgs boson with a mass of m H = 125.5 GeV, the search results are reinterpreted for this special case, setting upper limits on the Higgs boson branching ratio of BR(H →μμ) ≤ 1.3 × 10^−3, and on the muon Yukawa coupling of λμ ≤ 1.6 × 10^−3 , both with a confidence level of 95 %.

Η παρούσα εργασία εστιάζει στη διαδικασία δημιουργίας του χάρτη απωλειών ρεύματος της δέσμης ηλεκτρονίων κατά μήκος της Tρίτης Πειραματικής Διάταξης για το Συμπαγή Γραμμικό Επιταχυντή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών CERN (Beam Loss Map for Clic Test Facility 3). Ο χάρτης απωλειών χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των σημείων στα οποία υπάρχει απώλεια ρεύματος των φορτίων της δέσμης. Ο προσδιορισμός των σημείων αυτών είναι πρωτεύουσας σημασίας, τόσο από θεωρητική όσο και από πρακτική πλευρά, επειδή πιθανές απώλειες συνεπάγονται αυξημένους κινδύνους έκθεσης σε ακτινοβολία για τον άνθρωπο, πιθανές βλάβες στα μαγνητικά στοιχεία, αλλά και μείωση της ισχύος της δέσμης. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών και οι πειραματικές εγκαταστάσεις στις οποίες έγινε η παρούσα εργασία. Στη συνέχεια, περιγράφεται η συλλογή και ανάλυση των δεδομένων με στόχο την χαρτογράφηση των σημείων απώλειας ρεύματος δέσμης στο σύμπλεγμα του CTF3. / The Diploma Thesis focuses on creating the Beam Loss Map for Compact Linear Collider Test Facility 3, at CERN. The goal of the project is the allocation of the points where beam current losses occur. Defining these points is of great importance, because any loss of beam current, especially at the maximum energy of 150 MeV, can induce radiation activation along the machine, which is dangerous for both the hardware and the personnel who need to service the machine. In the first part of the project, CERN, LHC and CLIC are presented. The second part contains data analysis, presentation of the calibration procedure of the BPMs, the new scaling factors and finally the Beam Loss Map for CTF3.