<p>Next-to-minimal super-symmetric extensions of the Standard Model (SM) predict the existence of several non-SM like Higgs bosons. The process pp→a₁h^±→4b+W involves the production and the decay of a spin-0 charged Higgs boson and a CP-odd Higgs boson a₁ which can have a sizable cross section in the NMSSM. The invariant masses of these intermediate bosons can be reconstructed from the four momenta of the final state particles using mass minimization algorithms. This thesis presents a cut-based analysis of two mass scenarios and specialized algorithms that are capable of recovering the signal in a large background arising from Standard Model processes such as ttbar. The analysis is tested with a realistic ATLAS detector simulation investigating trigger efficiencies and probing several jet reconstruction algorithms.</p>

<p>A generator-level study of dilepton ttbar events to search for light charged Higgs bosons at the LHC is presented with the aim of finding a new variable to discriminate between charged Higgs signals and Standard Model signatures. The spin effects in leptonic decays of H^± and W bosons are studied and a new angular distribution is identified as a discriminating variable. Studies are performed for different charged Higgs masses at two different center ofmass energies. Monte Carlo samples of Z+jets production are also used to test the analysis.</p>

A generator-level study of dilepton ttbar events to search for light charged Higgs bosons at the LHC is presented with the aim of finding a new variable to discriminate between charged Higgs signals and Standard Model signatures. The spin effects in leptonic decays of H± and W bosons are studied and a new angular distribution is identified as a discriminating variable. Studies are performed for different charged Higgs masses at two different center ofmass energies. Monte Carlo samples of Z+jets production are also used to test the analysis.

The discovery of a charged Higgs boson (H+) would be an unambiguous sign of physics beyond the Standard Model. This thesis describes preparations for the H+ search with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN. The H+ discovery potential is evaluated, and tools for H+ searches are developed and refined. The H+→τν decay mode has been known as the most promising H+ discovery channel. Within this thesis, first studies of this channel with realistic detector simulation, trigger simulation and consideration of all dominant systematic uncertainties have been performed. Although, as shown by these studies, the discovery sensitivity is significantly degraded compared to studies using a parametrized detector simulation, this channel remains the most powerful ATLAS H+ discovery mode. Future searches will rely on multivariate analysis techniques like the Iterative Discriminant Analysis (IDA) method. First studies indicate that a significant sensitivity increase can be achieved compared to studies based on sequential cuts. The largest uncertainty in H+ searches is the expected $t\bar{t}$ background contribution. It is shown that numbers obtained from simulated events could be off by a factor of two, decreasing the discovery sensitivity dramatically. In this thesis, the Embedding Method for data-driven background estimation is presented. By replacing the muon signature in $t\bar{t}$ events with a simulated τ, events which allow an estimation of the background contribution at the 10% level are obtained. The ATLAS τ identification focuses on comparably clean environments like Z and W decays. To optimize the performance in high-multiplicity events like H+→τν, tau leptons are studied in $t\bar{t}$ and pile-up events. Variables which do not show discrimination power in high-multiplicity events are identified, and in some cases similar, more powerful variables are found. This allows to recover some of the performance loss and to increase the robustness of the τ identification. For the analysis of large amounts of data produced by the ATLAS detector, seamless interoperability of the various Grid flavors is required. This thesis introduces translators to overcome differences in the information system between a number of Grid projects,and highlights important areas for future standardization.

La production de paires de quarks top se désintégrant en deux leptons dont au moins un lepton tau est étudiée dans le cadre de l'expérience CDF auprès du collisionneur proton-antiproton, Tevatron, a FNAL aux USA. La sélection exige un électron ou un muon produit par désintégration du lepton tau ou par désintégration d'un W. L'analyse utilise toutes les données enregistrées, 9 fb-1, avec un déclenchement basé sur un électron ou muon à faible moment transverse et une trace chargée isolée. La section efficace de production de paires de top a cette énergie obtenue est de 8,2+-1.7(+1.2-1.1)+-0,5 pb, et le rapport de branchement en leptons tau est de 0,120+-0,027(+0,022-0,019)+-0,007 avec erreur statistique, systématique et sur la luminosité respectivement. Ce sont à jour les résultats les plus précis dans ce canal de désintégration du top, en bon accord avec les résultats obtenus au Tevatron avec tous les autres canaux de désintégration du top. Le rapport de branchement est aussi mesuré en séparant les événements tau plus lepton et avec deux leptons tau avec une méthode de maximum de vraisemblance. C'est la première fois que ces modes de désintégration sont identifiés séparément. Par une méthode de maximum de vraisemblance appliquée pour séparer ces deux canaux une mesure alternative du rapport de branchement du top en lepton tau de 0,098+-0,022(stat.)+-0,014(syst.) est obtenue, en bon accord avec les prédictions du Modèle Standard. Une limite supérieure de 0,159 pour ce rapport de branchement, avec 95% de niveau de confiance est extraite donnant un indice de Physique au delà du Modèle Standard en particulier un possible boson de Higgs chargé.

Next-to-minimal super-symmetric extensions of the Standard Model (SM) predict the existence of several non-SM like Higgs bosons. The process pp→a1h±→4b+W involves the production and the decay of a spin-0 charged Higgs boson and a CP-odd Higgs boson a1 which can have a sizable cross section in the NMSSM. The invariant masses of these intermediate bosons can be reconstructed from the four momenta of the final state particles using mass minimization algorithms. This thesis presents a cut-based analysis of two mass scenarios and specialized algorithms that are capable of recovering the signal in a large background arising from Standard Model processes such as ttbar. The analysis is tested with a realistic ATLAS detector simulation investigating trigger efficiencies and probing several jet reconstruction algorithms.

The Higgs sector is the last part of the standard model of particle physics where we lack directexperimental results. Many extensions to the standard model describe an extended Higgs sector,often containing charged scalar bosons in addition to the standard model’s neutral Higgs boson.The H+WZ vertex can be used to distinguish between different non-standard Higgs sectors, andto measure the mass of the charged Higgs boson. In this report I will examine a promising searchchannels at the LHC and look at its phenomenology using monte carlo simulations.

The discovery of a charged Higgs boson (H±) would be a clear indication for physics beyond the Standard Model. This thesis describes searches for charged Higgs bosons with the ATLAS experiment at CERN’s Large Hadron Collider (LHC). The first data collected during the LHC Run 1 is analysed, searching for a light charged Higgs boson (mH±&lt;mtop), which decays predominantly into a tau-lepton and a neutrino. Different final states with one or two leptons (electrons or muons), as well as leptonically or hadronically decaying taus, are studied, and exclusion limits are set. The background arising from misidentified non-prompt electrons and muons was estimated from data. This so-called "Matrix Method'' exploits the difference in the lepton identification between real, prompt, and misidentified or non-prompt electrons and muons. The Matrix Method is used in all charged Higgs boson searches in this thesis. In 2024 the LHC will be upgraded into a High Luminosity LHC (HL-LHC). The ATLAS detector is expected to collect around 300 fb-1 of collision data until 2022, whereas the HL-LHC will deliver about 250-300 fb-1 of data per year. This will increase the mean number of interactions per bunch crossing, resulting in larger particle fluxes. This puts challenging requirements on the electronics. In order to keep trigger and data rates at manageable levels, new trigger concepts require more intelligence at early stage which possibly results in more cables and connectors, inside the detector which lead to degraded performance of the detector system. This thesis presents new concepts using wireless technology at 60 GHz, in order add more data links inside the detector system without adding much material. Patch antennas have been developed, operating at 60 GHz. Manufacture methods have been investigated, and the fabrication tolerances and bandwidth of these antennas have been studied. Also, concepts of using passive repeaters have been investigated, to make the 60 GHz signal pass boundaries. These repeaters can be used to connect intelligence inside the detector, but also for reading out data from the whole detector radially.

Cette thèse présente la recherche d'un boson de Higgs chargé (H+) qui serait produit dans les collisions proton-proton à des énergies de 7 TeV$ et 8 TeV, en utilisant les données recueillies par l'expérience ATLAS au LHC (Large Hadron Collider). Plusieurs canaux de recherche sont utilisés, présentant la caractéristique commune de contenir au moins un lepton chargé (électron ou muon) énergétique, ce qui réduit efficacement le bruit de fond contenant des jets, tout en permettant un déclenchement efficace du détecteur.Ici le boson de Higgs chargé se désintègre en un lepton tau et un neutrino, ce qui conduit à des états finaux avec deux leptons chargés, ou bien un lepton chargé et un tau hadronique. Une source importante de taus mal identifiés provient de quarks et de gluons, par l'intermédiaire des jets hadroniques qu'ils initient. Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer ce bruit de fond, l'une d'elles étant basée directement sur les données. Des processus avec des bosons de Higgs chargés dont la masse est soit en dessous soit au-dessus de celle du quark top sont considérés. Avec l'ensemble de données recueillies à une énergie de 8 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 20,3/fb, des limites avec un taux de confiance de 95% sont placées sur le rapport de branchement Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) entre 1,1 et 0,3% pour des masses du boson de Higgs chargé entre 80 GeV et 160 GeV, et sur la section efficace de production du boson de Higgs chargé en association avec un quark top entre 0,53 et 0,04 pb, pour un boson de Higgs chargé ayant cette fois une masse comprise entre 180 GeV et 1 TeV. / This thesis presents searches for a charged Higgs boson (H+) in proton-proton collisions with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, using data collected by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Multiple search channels are used with a common characteristic of at least one charged lepton (electron or muon) that effectively reduces the multi-jet background and is used for efficient triggering.Charged Higgs bosons decaying to a tau lepton and a neutrino are searched for using final states with two charged leptons or one charged lepton and a hadronically decaying tau. A significant background originates from quark- and gluon-initiated jets that may be misidentified as hadronic tau decays. Methods to estimate this background are developed, including a largely data-driven matrix method. Signal processes with a charged Higgs boson mass below or above that of the top quark are considered. With the dataset collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3/fb, upper limits at 95% confidence level are placed on the branching fraction Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) in the range 1.1-0.3% for charged Higgs boson masses between 80 GeV and 160 GeV, and on the top-quark associated charged Higgs boson production cross section in the range 0.53-0.04 pb for charged Higgs boson masses between 180 GeV and 1 TeV.

En 2012, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d’un nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs prévu par le modèle standard. Cette particule a été postulée dans les années 1960. Elle explique comment les particules fondamentales obtiennent leurmasse. Cependant, la plupart des modèles allant au-delà du modèle standard prédisent l'existence de bosons de Higgs chargés. Les propriétés de telles particules, par exemple sa masse et son couplage aux autres particules, ne sont pas précisément prédites par la théorie, mais constituent un espace deparamètres qui doit être exploré. Des recherches de bosons de Higgs chargés ont été effectuée avant le LHC, cependant l'extension en énergie réalisée par le LHC a permis d'explorer un domaine plus large en masse. Dans ce travail nous avons cherché un boson chargé de Higgs se décomposant en une paire de quarks t et b. Aucun écart par rapport au modèle standard n'a été observé dans les données recueillies jusqu’en 2016, nous pouvons en déduire deslimites supérieures sur le taux de production d’un boson chargé de Higgs.Ces limites peuvent alors être utilisées pour exclure des parties de l’espacedes paramètres.Le LHC sera mis à niveau vers 2025 pour augmenter sa luminosité (le nombre de collisions par seconde et par cm2). Les protons sont accélérés par paquets. Ainsi, la luminosité peut être augmentée en injectant plus de protons par paquet, mais aussi en focalisant les paquets (réduisant leur taille transverse) au point de collision. Cela signifie que le taux auquel nouspouvons espérer produire des événements rares augmentera, mais aussique le taux de bruit de fond correspondant à l'empilement (le nombre de collisionsmoles de protons par croisement) augmentera. Le taux de croisement de paquets au LHCest trop élevé pour pouvoir lire et stocker toutes les don-nées produites. Ainsi nous devons utiliser un système de déclenchement quisélectionne rapidement les événements intéressants à enregistrer. Le système de déclenchementactuel n'est pas adapté au taux élevé d’empilement attendu pour la phase à hauteluminosité (HL) du LHC. Il doit donc être améliorée.Une façon de le faire est d'utiliser les informations du détecteur internequi fournit des informations sur les trajectoires de particules chargées.En utilisant des algorithmes qui peuvent être mis en œuvre dans l'électronique,un déclenchement de premier niveau sur les traces peut être rendu assez rapide pour fonctionnerdans la courte latence requise au HL-LHC. Le détecteur interne fournitdes points d’espace, des mesures des trajectoires des particules à des intervalles différents où sont installés des pistes de silicium. La quantité dedonnées du trajectomètre est trop grande, aussi effectuer des calculs sur toutes les combinaisons de points spatiaux prendrait trop de temps. Par conséquent, undéclenchement interne de premier niveau doit pouvoir sélectionner un sous-ensemble de pointsspatiaux sur lesquels effectuer le calcul. Dans cette thèse, nous avons exploré l’idée d’utiliser les régions d'intérêt fournies par le système de déclenchement d’électrons et de muonspour sélectionner une partie du volume du détecteur interne, puis de sélectionner lespoints d’espace qui correspondent aux modèles attendus des traces à haute énergie. Il a été démontré que c’est une option viable pour réduire les taux de bruit de fond tout en gardant une efficacitéélevée pour les événements que nous voulons garder, même dansdes conditions élevées d’empilement. / In 2012 the ATLAS and CMS experiments announced the discoveryof a new particle, a Higgs boson. This particle was hypothesized in the1960’s and explains how fundamental particles get their mass. However, amodel with a single Higgs boson is still not able to explain the aforemen-tioned cosmological observations. An electrically charged Higgs boson isa feature of many suggested extensions of the current model, includingsupersymmetry. The properties of such a particle, e.g. its mass and howit interacts with other particles are not fixed by theory but forms a pa-rameter space in which we must look for it. Searches for charged Higgsbosons have been performed prior to the LHC, but with the new energyscale of the LHC, the experiments have been able to look for heavier par-ticles. In this work we searched for a charged Higgs boson decaying intothe heaviest two quarks, a top and bottom pair. No deviations from thestandard model were found in the data gathered up until 2016, and hencewe can set upper limits on the production rate of a charged Higgs boson.These limits can then be used to exclude parts of the parameter space.The LHC will be upgraded around 2025 to increase the luminosity,that is the intensity of the proton beams. Protons are not acceleratedone by one at the LHC but in bunches. The luminosity can be increasedby using more protons per bunch but also by squeezing the bunches to besmaller at the point of collision. This means that the rate at which we canhope to produce rare events will increase but also that the backgroundrates and so called pile-up, the number of proton collisions per bunchcrossing, will increase. The rate of bunch crossings at the LHC is muchtoo high for ATLAS to be able to readout and store all data for eachevent, instead we use triggers that select events which look interesting.The current triggers are not suited for the high rates and pile-up of theHigh Luminosity (HL) LHC after the upgrade and must thus be improved.A way to do this is to use the information from the tracking detector thatprovides information on the trajectories of charged particles. By usingalgorithms that can be implemented in hardware a track trigger can bemade fast enough to work within the short latency required at the HL-LHC. The tracking detector provides space points, measurements of theparticle trajectories at different intervals, to which a track can be fitted.The amount of data from the tracker is very large, and performing trackfits on all the combinations of the space point would take too much time.Therefore a track trigger must be able to select a subset of space points onwhich to perform the track fit. For this thesis we have explored the idea ofusing standalone electron and muon triggers to select a part of the trackervolume, and then select space points that match precomputed patternsthat correspond to high energy particles. It has been shown that this isa viable option to reduce background rates while keeping high efficiencyfor the events we want to keep, even in high pile-up conditions.