University, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

The mechanism of spontaneous symmetry breaking is essential to provide masses to the W and Z gauge bosons and fermions of the SM. We hope to elucidate this mechanism at the next generation of colliders. While the SM has been tested with astonishing precision it is believed to be an effective theory of a more fundamental Great Unified Theory. SUSY is one of the most attractive extensions of the SM of particle physics. Therefore, the search for SUSY is a top priority at the next generation of colliders. Once Higgs bosons are discovered, a precise determination of their properties is necessary to differentiate between different models, in particular the MSSM. A muon collider, running at center of mass energies around the neutral Higgs boson resonances, would allow precise measurements of masses and widths, as well as the couplings to their decay products. In particular their couplings to supersymmetric particles are essential to probe SUSY. Therefore, we study the decays of the heavier CP-even and CP-odd Higgs bosons into lighter chargino or neutralino pairs. In this thesis we have analyzed the polarization effects of the beams and the charginos and neutralinos produced in mu+ mu- annihilation around the center of mass energies of the Higgs boson resonances H and A. For the production of equal charginos we have shown that the ratio of H-chargino and A-chargino couplings can be precisely determined independently of the chargino decay mechanism. This method avoids reference to other experiments and makes only a few model-dependent assumptions. Here we have analyzed the effect of the energy spread and of the error from the non-resonant channels, including an irreducible standard model background contribution. For small tan(beta) the process yields large cross sections of up to a pb. For the production of two different charginos we have shown that the H-A interference can be analyzed using asymmetries of the charge conjugated processes. The asymmetries depend on the muon longitudinal beam polarizations and vanish for unpolarized beams. For the chargino pair production with subsequent two-body decay of one of the charginos we have shown that charge and beam polarization asymmetries in the energy distributions of the decay particles are sensitive to the interference of scalar exchange channels with different CP quantum numbers. This process provides unique information on the interference of overlapping Higgs boson resonances. The effect is larger for regions of parameter space with intermediate values of tan(beta) and light sleptons or LSP neutralinos. For the chargino pair production with subsequent two-body decays of both charginos we have defined energy distribution and angular asymmetries in the final particles, in order to analyze the spin-spin correlations of the charginos. The transverse polarizations of the charginos are sensitive to the CP quantum number of the exchanged Higgs bosons and can thus be used to separate overlapping resonances, as well as to determine the CP quantum number of a single resonance. For equal charginos, these asymmetries are not sensitive to the interference of CP-even and CP-odd Higgs exchange channels. For the neutralino pair production in mu+ mu- annihilation we study similar processes as for chargino production. Line shape measurements of neutralino pair production allow to precisely determine the ratio of H-neutralino and A-neutralino couplings. Neutralino pair production with subsequent two-body decay of one of the neutralinos in the intermediate tan(beta) region is sensitive to the interference of H and A and may be measured with a large statistical significance. The Majorana nature of the neutralinos implies that the beam polarization asymmetries vanish for the remaining production channels. For neutralino pair production with subsequent two-body decays of both neutralinos we analyze similar observables as in chargino production. The main difference consists in the intrinsic relative CP quantum number of the neutralino pair, which depends on the chosen scenario. We have thus shown that the interaction of the Higgs bosons to the gaugino-higgsino sector can be probed at a muon collider in chargino and neutralino pair production, both analyzing the production line-shape around the resonances as well as studying the chargino and neutralino polarizations via their decays. / Der Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung ist notwendig, um den W-und Z-Eichbosonen sowie den Fermionen des Standardmodels Masse geben zu können. Wir hoffen, diesen Mechanismus in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern nachweisen zu können. Obwohl die Vorhersagen des Standardmodels (SM) bisher mit sehr großer Präzision bestätigt werden konnten, glaubt man, dass es sich um einen effektiven Niederenergielimes einer fundamentaleren Großvereinheitlichten Theorie handelt. Supersymmetrie (SUSY) ist eine der attraktivsten Erweiterungen des Standardmodels der Teilchenphysik. Deswegen ist die Suche nach SUSY eine der Prioritäten der nächsten Generation von Beschleunigern. Werden Higgs-Bosonen entdeckt, ist eine präzise Bestimmung ihrer Eigenschaften nötig. Ein Myonenbeschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie in der Nähe der Resonanzen der neutralen Higgs-Bosonen würde eine ideale ,,Higgs-Fabrik'' darstellen, die genaue Messungen der Massen und Breiten sowie der Kopplungen und Zerfallsprodukte der Higgsbosonen erlauben würde. Insbesondere deren Kopplungen an SUSY-Teilchen ist wichtig, um das in der Natur realisierte SUSY-Szenario zu ermitteln. Deswegen haben wir die Zerfälle der schwereren CP-geraden und CP-ungeraden Higgs-Bosonen in leichtere Chargino- oder Neutralino-Paare studiert. In dieser Arbeit wurden der Einfluss der Strahlpolarisation der Myonen sowie die Polarisation der Charginos bzw. Neutralinos erzeugt in Myon Annihilation untersucht. Für die Produktion gleicher Charginos wurde gezeigt, dass das Verhältnis der H-Chargino-und der A-Chargino Kopplungen unabhängig vom Chargino Zerfallsmechanismus mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Diese Methode vermeidet Anleihen bei anderen Experimenten und macht nur wenige modelabhängige Annahmen. Hier wurde der Effekt der Energieverteilung der Myonenstrahlen und des Fehlers aus den nicht-resonanten Kanäle, mit Berücksichtigung des irreduziblen Standardmodel-Hintergrundbeitrags, untersucht. Für kleine Werte von tan(beta) werden bei diesem Prozess große Wirkungsquerschnitte von bis zu einem pb erzielt. Für die Produktion von zwei unterschiedlichen Charginos wurde gezeigt, dass die H-A-Interferenz mit der Asymmetrie der Wirkungsquerschnitte für ladungskonjugierten Prozesse analysiert werden kann. Diese Asymmetrie hängt von der longitudinalen Strahlpolarisation ab und verschwindet für unpolarisierten Myon-Strahlen. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Charginos haben wir gezeigt, dass die Ladungs-und Polarisationsasymmetrien den Energieverteilungen der Zerfallsprodukte auf die Interferenz der skalaren Austausch-Kanäle mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen sensitiv sind. Dieser Prozess liefert eindeutige Informationen über die Interferenz überlappender Higgsboson-Austausch-Resonanzen. Der Effekt ist für Regionen des Parameterraums mit mittleren Werten von tan(beta) und für leichte Sleptonen oder LSP Neutralinos größer. Für Chargino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Charginos wurden Energie- und Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte definiert, um damit die Chargino-Spin-Spin-Korrelationen analysieren zu können. Die transversalen Polarisationen der Charginos sind auf die CP-Quantenzahl des ausgetauschten Higgs-Bosons sensitiv. Dadurch kann man überlappende Resonanzen trennen, sowie auch die CP-Quantenzahl einer einzelnen Resonanz bestimmen. Für gleiche Charginos sind diese Asymmetrien auf die Interferenz CP-gerader und CP-ungerader Higgs-Kanäle nicht sensitiv. Es ist deswegen nicht möglich, mit ihrer Hilfe zwischen zwei überlappenden skalaren Resonanzen mit unterschiedlichen CP-Quantenzahlen und einer CP-verletzenden einzelnen Resonanz zu unterscheiden. Für Neutralino Paarproduktion in Myon Annihilation werden, analog zum Chargino Produktionsprozess, Lineshape sowie die anschließenden Zerfälle untersucht. Lineshape-Messungen der Neutralino-Paarproduktion erlauben eine präzise Bestimmung des Verhältnisses der H-Neutralino- und A-Neutralino-Kopplungen. Neutralino Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall eines der Neutralinos für mittleren Werten von tan(beta) ist sensitiv auf Interferenz von H und A ist und kann möglicherweise mit ausreichender statistischer Signifikanz gemessen werden können. Für Neutralino-Paarproduktion mit anschließendem Zweikörperzerfall beider Neutralinos werden die analogen Observablen wie bei der Chargino Paarproduktion analysiert. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die relative intrinsische CP-Quantenzahl des erzeugten Neutralinopaares vom Szenario abhängt. Es wurde somit gezeigt, dass die Wechselwirkung der Higgsbosonen an den Gaugino-Higgsino-Sektor an einem Myonbeschleuniger aus Analysen der Chargino bzw. Neutralino Paar-Produktions-Lineshape an den Resonanzen sowie auch aus der Strahlpolarisations-Abhängigkeit der anschließenden Zerfälle getestet werden können.

A feasibility study is presented which measures the masses of the chargino X̃₁^± and neutralinos X̃₁⁰ and X̃₂⁰ using the processes of e⁺e⁻→ X̃₁⁺X̃₁^- → X̃₁⁰X̃₁⁰W⁺W⁻ and e⁺e⁻→ X̃₂⁰X̃₂⁰ → X̃₁⁰X₁⁰ZZ at the International Linear Collider. The detector simulation is based on the Silicon Detector (SiD) concept and an integrated luminosity of 500 fb⁻¹ is considered at the centre-of-mass energy of 500 GeV. A template-fitting method is employed to measure the chargino and neutralino masses, which results in uncertainties of 0.16 GeV, 0.5 GeV and 1.0 GeV for the mass of X̃₁⁰, X̃₁^± and X̃₂⁰ respectively. A study on the ISIS2 sensor, a technology for the ILC vertex detector, is also presented. The characteristic of the sensors are studied for both its test structure and main array pixels. The operation conditions are optimized and the sensor successfully demonstrated its capabilities of in-situ charge storage and charge transfer. The charge transfer efficiency is measured to be better than 98%.

De nombreuses recherches ont été consacrées aux signatures des modèles supersymétrique depuis le Run1 du LHC qui a fourni des données à 7 et 8 TeV. Parmi ceux-ci, la recherche du chargino-neutralino (C1, N2) dans les états finals avec 1 lepton, 2 b-jets compatibles avec un boson de Higgs et une énergie transverse manquante. L'analyse des données collectées par ATLAS à 8 TeV en 2012 a permis d'exclure à 95% C.L. les modèles simplifiés pour lesquels le neutralino le plus léger (N1) est non massif et les C1, N2 sont de moins de 250 GeV. La présente analyse utilise les données collectées par ATLAS en 2015, 2016 et montre une meilleure sensibilité au signal due à l’augmentation de l'énergie des collisions au Run 2 jusqu'à 13 TeV. Cependant, les résultats sont compatibles avec les prédictions du modèle standard et ainsi les limites sur les masses de C1, N2 sont élevées et permettent d'exclure a 95% C.L. les modèles avec C1, N2 de moins de 680 GeV pour un N1 non massif. L'identification des b-jets joue un rôle important dans cette analyse. Dans cette thèse, on présente aussi des études sur la robustesse des performances du b-tagging avec diverses conditions de détection pour le détecteur a pixels, le plus important pour l'étiquetage de saveur des jets. Comme la plupart des recherches SUSY au LHC, cette analyse est effectuée en utilisant un modèle simplifié, ainsi le spectre de masse est choisi manuellement et les désintégrations SUSY considérées sont forcées. Suspect3 est l'un des outils théoriques utilisés pour interpréter les résultats de la recherche en modèles SUSY réalistes. Cette thèse présente la version SuSpect3 post-découverte du Higgs que nous développons. / During the LHC 8 TeV Run1, many searches were dedicated to the supersymmetric models. Among those, the search for the chargino-neutralino (C1, N2) pair production in final states with 1 lepton, 2 b-jets consistent with a Higgs boson and missing transverse energy. This search had negative outcome resulting in excluding C1, N2 masses up to 250 GeV for a massless lightest neutralino (N1) at 95% C.L.. The Run1 search used the 8 TeV ATLAS data collected in 2012. In this thesis, this search with ATLAS at LHC 13 TeV Run2 is presented, it uses 36.1 fb$^{-1}$ ATLAS data collected in 2015 and 2016. This Run 2 search provides an unprecedented sensitivity to high mass C1, N2 production. However, no evidence of new physics is observed and tighter new limits are placed on the C1, N2 production, with significant improvements over previous searches: C1, N2 masses up to 680 GeV for a massless N1 are excluded at 95% C.L. The identification of b-jets plays a significant role in this analysis. In this thesis, we present studies of the robustness of b-tagging performance with various conditions of the pixel detector, being the most important sub-detector for b-tagging. As most SUSY searches at the LHC, this analysis is carried out using Simplified Model of SUSY, i.e. the mass spectrum is chosen by hand and the considered SUSY decays are forced. Suspect3 is one of the theory tools utilized to map the search result into realistic SUSY models. This thesis presents the post Higgs discovery SuSpect3 version we have been working on. This version takes advantage of the very important new Higgs boson mass input to constrain other basic model parameter currently given as an input.

Ce travail de thèse s'attache à simuler le potentiel de découverte de la supersymétrie (SUSY) au collisionneur LHC du CERN avec le détecteur ATLAS dans le canal pp->w1+z2->3l+X. Les résultats sont fournis pour les phases de basse et de haute luminosité du LHC. Dans un premier temps, nous montrons que la SUSY induit un excès à 5 écart-standards par rapport aux pédictions du Modèle Standard (MS) dans la topologie inclusive trilepton dans un grand domaine de l'espace des paramètres SUSY. Nous indiquons que les contributions des processus SUSY autres que pp->w1+z2 (fond supersymétrique) sont non négligeables. Ensuite, nous affinons l'analyse pour augmenter la pureté du signal pp->w1+z2->3l+X. Ceci nous permet d'étudier les propriétés spécifiques de ce processus. En particulier nous reconstruisons la différence de masse m(z2)-m(z1). Nous proposons une méthode originale pour reconstruire tout le secteur des gauginos à partir de cette observable expérimentale (cette méthode suppose l'unification de la masse des gauginos). Un chapitre est également consacré à l'étude de l'uniformité spatial e de la réponse des photomultiplcateurs Hamamatsu R5900 utilisés pour la lecture du calorimètre hadronique (Tilecal) d'ATLAS.

Dans le cadre du modèle mSUGRA qui décrit un mécanisme de brisure simple de la supersymétrie, des sparticules avec des masses au-delà des limites fixées par les expériences de LEP II peuvent être produites au Tevatron, collisionneur pp délivrant une énergie de 1.96Tev dans le centre de masse. Un canal privilégié pour la découverte de la supersymétrie au Tevatron est la production associée du plus chargé chargino, chi-+, et du second plus léger neutralino, chi 20. Les modes de désintégrations leptoniques, chi20->chi10l+l- et chi1+-->chi10l+-nul, conduisent à une signature claire avec trois leptons et une quantité significative d'énergie transverse manquante. De manière à augmenter la sensibilité au signal dans des régions de l'espace des paramètres conduisant à un troisième lepton très mou présentant une faible éfficacité de reconstruction, une sélection avec deux leptons de même signe et de l'énergie transverse manquante a été développée. Le cas particulier du canal dimuon de même signe est étudié dans ce manuscrit

L'ajout de la supersymétrie au Modèle Standard (MS) de la physique des particules est très bien motivée. Reliant les bosons aux fermions dans un formalisme élégant, la supersymétrie propose une solution naturelle au problème de hiérarchie et permet l'unification des trois constantes de couplages du MS à grande échelle d'énergie. De plus, si la R-parité est conservée, elle fournit un candidat naturel pour expliquer la grande quantité de matière noire observée dans l'univers. Dans le MS supersymétrique minimal, c'est généralement le neutralino, l'un des partenaires supersymétriques des bosons électrofaibles (jauginos) et des bosons de Higgs (Higgsinos), qui se mélangent pour former quatre états propres de masses neutres (neutralinos) et deux chargés (charginos). Après une introduction sur la supersymétrie, nous présentons les formalismes de resommation au seuil et en impulsion transverse. Ensuite, nous considérons la production de paires de jauginos aux collisionneurs hadroniques actuellement en marche, i.e. RHIC, Tevatron et LHC. Nous étudions les effets dus à la polarisation des hadrons initiaux et aux corrections QCD supersymétriques complètes. Finalement, nous appliquons les resommations au seuil et en impulsion transverse à la production de paires de jauginos, et nous montrons qu'elles ont un impact important sur les distributions de masses invariantes et d'impulsion transverses. Tout au long de ces études, nous analysons en détail les erreurs théoriques venant des variations d'échelles et des fonctions de densités de partons.

Dans le cadre du modèle mSUGRA qui décrit un mécanisme de brisure simple de la supersymétrie, des sparticules avec des masses au-delà des limites fixées par les expériences de LEPII peuvent être produites au Tevatron, collisionneur $p\overline {p}$ délivrant une énergie de 1.96 TeV dans le centre de masse. Un canal privilégié pour la découverte de la supersymétrie au Tevatron est la production associée du plus léger chargino,$\tilde {chi}_1^± $ et du second plus léger neutralino, $\tilde {chi}_2^0$. Les modes de désintégration leptoniques, $\tilde {chi}_2^0\to\tilde {chi}_1^0 $ l +l -et $\tilde {chi}_1^± \to\tilde {chi}_1^0 $ l ±\nu_l, conduisent à une signature claire avec trois leptons et une quantité significative d'énergie transverse manquante. De manière à augmenter la sensibilité au signal dans des régions de l'espace des paramètres conduisant à un troisième lepton très mou présentant une faible efficacité de reconstruction, une sélection avec deux leptons de même signe et de l'énergie transverse manquante a été développée. Le cas particulier du canal dimuon de même signe est étudié dans ce manuscrit. Aucune preuve de l'existence de la supersymétrie n'a pu être mise en évidence à partir des données acquises entre avril 2002 et février 2006 par le détecteur DØ du Tevatron et représentant une luminosité intégrée de 0.9 fb−1.Des limites sur le produit de la section efficace de production du signal fois le rapport d'embranchement en trois leptons, $\sigma (p\overline {p}\to\ tilde {chi}_1^± \tilde {chi}_2^0)$ ×BR(3ℓ), ont alors été déterminées en fonction de la masse du $\tilde {chi}_1^± $. Les résultats ainsi obtenus par la sélection dimuon de même signe ont été combinés avec les résultats de sélections trilepton. Pour des configurations de type mSUGRA avec des désintégrations leptoniques favorisées, une limite de 140 GeV/c2 est obtenue sur la masse du $\tilde {chi}_1^± $.

The Large Hadron Collider located at CERN is currently the most powerful particle accelerator and ATLAS is an experiment designed to exploit the high energy proton-proton collisions provided by the LHC. It opens a unique window to search for new physics at very high energy, such as supersymmetry, a postulated symmetry between fermions and bosons. Supersymmetry can provide a solution to the hierarchy problem and a candidate for Dark Matter. It also predicts the existence of new particles with masses around 1 TeV, thus reachable with the LHC. This thesis presents a new search for supersymmetry in a previously unexplored search channel, namely the production of charginos and neutralinos directly decaying to electroweak on-shell gauge bosons, with two leptons, jets, and missing transverse momentum in the final state. The search is performed with proton-proton collision data at a center of mass energy of √s = 8 TeV recorded with the ATLAS experiment in 2012. The design of a signal region sensitive to the new signal is presented and a data driven technique to estimate the Z+jets background is developed. Precise measurements of hadronic jet energies are crucial to search for new physics with ATLAS. A precise energy measurement of hadronic jets requires detailed knowledge of the pulse-shapes from the hadron calorimeter signals. Performance of the ATLAS Tile Calorimeter in this respect is presented using both pion test-beams and proton–proton collision data. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2 and Paper 4: Technical report from the  ATLAS experiment.</p>

The Standard Model of particle physics is a successful theory, yet it is incomplete. Supersymmetry is one of the favoured extensions of the Standard Model, elegantly addressing several unresolved issues. This thesis presents a search for the pair production of supersymmetric particles chargino one and neutralino two, where the neutralino two decays to the lightest neutralino and the 125 GeV Higgs boson. The final states considered for the search have large missing transverse momentum, an isolated lepton and two jets identified as originating from bottom quarks. The analysis is based on 20.3 inverse femtobarns of 8 TeV proton-proton collision data delivered by the Large Hadron Collider and recorded with the ATLAS detector. No excess over Standard Model predictions is observed. The analysis has been combined with three independent searches that probe other decay modes of the Standard Model Higgs boson. Limits are set at 95% confidence level in the context of a simplified supersymmetric model. Common masses of chargino one and neutralino two are excluded up to 250 GeV for a massless neutralino one. The analysis of this dissertation has been reinterpreted in the context of a large scan of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model, along with 22 other ATLAS Run 1 searches. The resulting summary paper represents the most comprehensive assessment of the ATLAS constraints on Supersymmetry models to date. / Graduate / 0798 / cdavid@uvic.ca