Linear colliders are an option for lepton collision at several TeV. The Compact Linear Collider (CLIC) aims at electron and positron collisions at a centre of mass energy of 3 TeV. In CLIC, the main accelerating structures are designed to operate at an X-band frequency of 12 GHz with an accelerating gradient of 100 MV/m. Two significant issues in linear accelerators that can prevent high gradient being achieved are electrical breakdown and wakefields. The baseline design for the CLIC main linacs relies on a small aperture size to reduce the breakdown probability and a strong damping scheme to suppress the wakefields. The strong damping scheme may have a higher possibility of electrical breakdown. In this thesis an alternative design for the main accelerating structures of CLIC is studied and various aspects of this design are discussed. This design is known as a Damped and Detuned Structure (DDS) which relies on moderate damping and strong detuning of the higher order modes (HOMs). The broad idea of DDS is based upon the Next Linear Collider (NLC) design. The advantages of this design are: well damped wakefields, minimised rf breakdown probability and reduced size of the structure compared to the strong damping design. Procedures necessary to minimise the rf monopole fields and enhance the wakefield suppression are discussed. The rf as well as mechanical designs of a test structure are presented. This unique design forms the basis of this research and allows both the electrical breakdown and beam dynamics constraints to be simultaneously satisfied.

A search for heavy exotic diboson resonances decaying to llqq final states is presented using pp collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The analysis uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^-1 at sqrt(s) = 8 TeV collected between April and December 2012. No significant excess of data events over the predicted Standard Model background is observed and 95% confidence level upper limits are set on the product of the production cross-section and the branching ratio for spin-2 Kaluza-Klein gravitons predicted by the bulk Randall-Sundrum model and for Extended Gauge Model W’ bosons. These results are subsequently combined with limits obtained from searches using the lvll, lvqq, and qqqq final states, and new mass limits are set on both signal models.

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Ohne ein Standard Modell Higgs werden Wechselwirkungen zwischen Eichbosonen stark bei hohen Energien. Jeder tri- und quadrilinare Eichboson-Vertex ist charakterisiert durch einen Satz von Kopplungen der schon bei niedrigeren Energien als der Skala für neue Physik von seiner Standardmodell- Erwartung abweichen sollte. Die genaue Messung der Eichbosonkopplungen gewährt daher Einblicke in den Mechanismus der elektroschwachen Symmetriebrechung und anomale Werte signalisieren neue Physik. Die Sensitivität der Messung der geladenen Eichboson Kopplungen an einem Photoncollider mit TESLA Parametern wurde studiert. Die betrachteten Prozesse sind ein- und zwei-W-Boson Produktion in Elektron-Photon und Photon-Photon Kollisionen bei einer Elektron-Elektron Energie von 500 GeV. Signal und Untergrund Ereignisse wurden im hadronischen Zerfallskanal analysiert und ein Satz von konsekutiven Schnitten wurde angewandt, die eine gute Effizienz und Reinheit des Signals ergaben. Die selektierten Ereignisse wurden durch kinematische Variablen beschrieben, die sensitiv sind auf anomale Kopplungen. Eine neue Methode wurde angewandt, um dies Winkelverteilungen in Anwesenheit von anomalen Kopplungen zu fitten. Dazu wurden die differentiellen Wirkungsquerschnitte in bis zu quadratischen Thermen in den Kopplungen entwickelt. Im Fit wurde diese Funktion benutzt, um die mehrdimensional gebinnten Verteilungen abhängig von den anomalen Kopplungen zu rewichten. Dabei wurde auch die Unsicherheit in der Normalisierung berücksichtigt. Außerdem wurden einige Quellen systematischer Fehler, z.B. durch die Strahlenergie, die W-Boson Masse und die Polarisationsmessung untersucht. Die erwarteten Fehler auf die Eichkopplungen bei einem Photon-Collider sind ca. zwei Größenordnungen kleiner als bei LEP und am Tevatron, so dass ein sehr präziser Test von Physik jenseits des Standardmodells möglich wird. Die Optimierung der Vorwärtsregion der Detektors reduziert den nieder- energetischen Untergrund auf ein tolerierbares Maß. Dies schafft die nötige saubere Umgebung für eine präzise Messung der Eichkopplungen. / In absence of the Standard Model (SM) Higgs boson the interaction among the gauge bosons becomes strong at high energies and influences the couplings between them. Each trilinear and quartic gauge boson vertex is characterised by a set of couplings which are expected to deviate from their SM values already at energies lower than the energy scale of the New Physics (NP). The precise measurement of gauge boson couplings can provide clues to the mechanism of the electroweak symmetry breaking and their anomalous values can be a sign of a NP effect beyond the SM. The sensitivity estimation of the measurement of charged trilinear gauge couplings (TGCs) at the Photon Collider based on TESLA parameters has been studied. The considered interactions are the single and double W boson production in electron-photon and photon-photon collisions (signals) at electron-electron centre-of-mass energy of 500 GeV. Signal and background events in the hadronic decay mode overlayed with the pileup, are simulated and analysed and a set of consecutive cuts is applied resulting in good signal efficiencies. The selected events are described with kinematical variables sensitive to TGCs. A new method has been applied to fit event angular distributions in the presence of anomalous TGCs expanding the dependence of the differential cross-section up to quadratic term in the TGCs. In the fit this expression is used to reweight the SM multi-dimensional binned distributions dependent on TGCs where also the uncertainty on the total normalisation is taken into account. Some sources of systematic errors are considered, as the beam energy, the W boson mass and the polarisation measurement. The estimated precisions of the TGC measurements at a photon collider are about one to two orders of magnitude higher than at LEP and Tevatron providing a measurement highly sensitive to the physics beyond the Standard Model. The optimisation of the forward region of the detector brings the amount of the low-energy background to the manageable level providing a clean environment for the TGC measurements at a photon collider with estimated precisions.

Es werden Messungen der totalen Wirkungsquerschnitte der Prozesse pp → W/Z → ll′ in Endzuständen mit Elektronen und Myonen präsentiert. Für diese Analyse werden Daten, die im Jahr 2013 mit dem ATLAS-Detekor am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von √s= 2.76 TeV aufgezeichnet wurden und einer integrierten Luminosität von pb−1 entsprechen, verwendet. In dieser Analyse werden mehrere Quellen systematischer Unsicherheiten berücksichtigt. Die Untergründe werden sowohl mittels Simulationen (für elektroschwache und tt ̄ Un- tergründe) als auch mithilfe datengetriebener Methoden (für den Multi-Jet Untergrund) abgeschätzt. Die Resultate der Elektron- und Myon-Kanäle werden kombiniert und ergeben die folgenden Wirkungsquerschnitte: sigma_fid(W → lν) = 2206.3±20.2(stat.)±10.6(sys.)±68.4(lumi.)[pb], sigma_fid(Z → ll) = 200.4±6.1(stat.)±0.3(sys.)±6.2(lumi.)[pb]. Die kombinierten Wirkungsquerschnitte werden zur Berechnung der Wirkungsquerschnitts- Verhältnisse W/Z und W+/W− benutzt. Die Ergebnisse werden mit QCD-Berechnungen unterschiedlicher Ordnungen verglichen. Der Einfluss dieser Messung auf Partonverteilungsfunktionen (parton distribution func- tions, PDFs) wird abgeschätzt. Die gesamte Unsicherheit dieser Messungen ist vergleich- bar mit den Unsicherheiten aktueller PDFs, weshalb diese Analyse zur Einbeziehung in zukünftige PDF-Bestimmungen geeignet ist. Außerdem wurden Studien zur Frozen Showers Methode zur schnelleren Simulation von Ereignissen im ATLAS-Detektor durchgeführt. Es wurde eine neue Methode zur Gener- ierung einer Frozen Showers Bibliothek entwickelt, die eine Reduzierung der für diesen Abschnitt benötigten Zeit erlaubt. / Measurements of the total pp → W/Z → ll′ cross sections in the electron and muon s = 2.76 TeV with the ATLAS detector at the LHC (in 2013), corresponding to a total integrated luminosity of 4 channels are presented. Data collected at a center-of-mass energy pb−1, are used for this analysis. In this measurement, several sources of systematic uncertainties are estimated. The back- ground contribution is estimated using simulation (for electroweak and tt ̄ backgrounds) as well as data-driven methods (for the multijet background). The combined results for electron and muon channels provide the following cross sections: sigma_fid(W → lν) = 2206.3±20.2(stat.)±10.6(sys.)±68.4(lumi.)[pb], sigma_fid(Z → ll) = 200.4±6.1(stat.)±0.3(sys.)±6.2(lumi.)[pb]. The combined cross sections are used for the calculation of the W/Z and W+/W− cross section ratios. These results are compared with different orders of QCD calculations. The effect of the addition of the measured cross sections to the parton density functions (PDF) is estimated. The total uncertainty of the measurements is comparable to the current global PDF uncer- tainties, which makes them applicable for future PDF determination. Additionally, studies of the Frozen Showers method for fast simulation have been per- formed. A new method of Frozen Showers library generation, allowing to reduce time spend on this stage, is developed.

In dieser Arbeit adressieren wir die Schwierigkeit, Präzisionsvorhersagen mit dem kompletten Satz theoretischer Unsicherheiten in der perturbativen Quantenchromodynamik im Rahmen von Monte-Carlo-Simulationen zu treffen, angesichts der zunehmenden Komplexität der dazu nötigen Berechnungen. Die Anforderungen an die Rechenleistung können so groß sein, dass nicht in jeder Anwendung die bestmögliche Präzision erzielt wird. Wir präsentieren eine Reweighting-Methode für den Monte-Carlo-Ereignisgenerator SHERPA. Diese erstellt Variationen der nominellen Vorhersage mit vergleichsweise geringem zusätzlichen Zeitaufwand. Die Methode ist kompatibel mit aktuellen Multijet-Berechnungen nächsthöherer Ordnung, die mit Korrekturen von allen Ordnungen durch einen Partonschauer versehen sind. Zusätzlich diskutieren wir neue Entwicklungen für einen weiteren Reweighting-Ansatz, der auf QCD-Interpolationsgittern beruht. Diese ermöglichen noch schnellere Variationen für Berechnungen fester Ordnung. Solche Gitter können für Monte-Carlo-Simulationen automatisiert erstellt werden mithilfe von Interfaces wie MCgrid. Unsere Verbesserungen für MCgrid ermöglichen die Erstellung vielseitigerer Gitter, die eine größere Klasse von Berechnungen, Gitter-Implementierungen und Skalenvariationen unterstützen. Darüber hinaus diskutieren wir, auf welche Weise solche Gitter für die Unterstützung von Resummationseffekten erweitert werden müssten. Neben dem Reweighting studieren wir noch die Verwendung von Extrapolationsmethoden für die Vorhersage von Jet-Raten hoher Multiplizitäten, welche an zukünftigen Hochenergiebeschleunigern allgegenwärtig sein werden. Diese Methoden basieren auf dem Skalierungsverhalten der Jet-Raten. Eingebettet ist diese Studie in eine allgemeinere Diskussion der zu erwartenden Jet-Aktivität an einem Proton-Proton-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

Der International Linear Collider (ILC) ist ein Elektron-Positron-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie zwischen 200 und 500 GeV und einer Spitzenluminositaet von $2\cdot 10^{34}\mbox{ cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. Fuer das Physikprogramm dieser Maschine ist eine exzellente paketweise Messung der Strahlenergie von grundlegender Bedeutung. Um das zu erreichen, sind am ILC verschiedene Techniken vorgesehen. Insbesondere wurden Energiespektrometer vor und nach dem $e^+/e^-$-Wechselwirkungspunkt vorgeschlagen. Die gegenwaertige Standardoption fuer das Spektrometer vor dem Wechselwirkungspunkt ist ein auf Strahllagemonitoren basierendes Magnetspektrometer. In den Jahren 2006/2007 wurde ein Prototyp eines solchen Spektrometers in der End Station A am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) aufgebaut, um die Leistungsfaehigkeit und Zuverlaessigkeit einer derartigen Anlage zu pruefen. Ausserdem wurde eine neue Methode zur Messung der Strahlenergie vorgeschlagen. Diese beruht auf Compton-Streuung von Laserlicht an den Strahlelektronen und erlaubt, die geforderte Energiegenauigkeit von $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$ zu erreichen. Erfahrungen von dem Large Electron-Positron Collider (LEP) und dem Stanford Linear Collider (SLC) zeigten, dass komplementaere Energiemessmethoden notwendig sind, um die Ergebnisse des BPM-Spektrometers zu ueberpruefen. In der vorliegenden Arbeit werden eine Uebersicht ueber das Experiment am SLAC und erste Ergebnisse praesentiert. Des Weiteren wird die neue Methode der Laser-Compton-Streuung beschrieben und wichtige Aspekte detailliert besprochen. / The International Linear Collider (ILC) is an electron-positron collider with a center-of-mass energy between 200 and 500 GeV and a peak luminosity of $2\cdot 10^{34}\mbox{cm}^{-2}\mbox{s}^{-1}$. For the physics program at this machine, an excellent bunch-by-bunch control of the beam energy is mandatory. Several techniques are foreseen to be implemented at the ILC in order to achieve this request. Energy spectrometers upstream and downstream of the electron/positron interaction point were proposed and the present default option for the upstream spectrometer is a beam position monitor based (BPM-based) spectrometer. In 2006/2007, a prototype of such a device was commissioned at the End Station A beam line at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in order to study performance and reliability. In addition, a novel method based on laser Compton backscattering has been proposed, since as proved at the Large Electron-Positron Collider (LEP) and the Stanford Linear Collider (SLC), complementary methods are necessary to cross-check the results of the BPM-based spectrometer. In this thesis, an overview of the experiment at End Station A is given, with emphasis on the performance of the magnets in the chicane and first energy resolution estimations. Also, the novel Compton backscattering method is discussed in details and found to be very promising. It has the potential to bring the beam energy resolution well below the requirement of $\Delta E_b / E_b = 10^{-4}$.

Coloured final states are ubiquitous at hadron colliders such as the Large Hadron Collider (LHC). Therefore understanding high energy perturbative quantum chromodynamics (QCD) at these experiments is essential not only as a test of the Standard Model, but also because these processes form the dominant background to many searches for new physics. One such `standard candle' is the production of a dilepton pair in association with dijets. Here we present a new description of this final state (through the production of a Z⁰ boson and γ*). This calculation adds to the fixed-order accuracy the dominant logarithms in the limit of large partonic centre-of-mass energy to all orders in the strong coupling αs. This is achieved within the framework of High Energy Jets. This calculation is made possible by extending the high energy treatment to take into account the multiple t-channel exchanges arising from Z⁰ and gamma* -emissions off several quark lines. The correct description of the interference effects from the various t-channel exchanges requires an extension of the subtraction terms in the all-order calculation. We describe this construction and compare the resulting predictions to a number of recent analyses of LHC data. The description of a wide range of observables is good, and, as expected, stands out from other approaches in particular in the regions of large dijet invariant mass and large dijet rapidity spans. In addition we also present the application of the High Energy Jets framework to two new experimental scenarios. Firstly, we show a comparison of High Energy Jets matched to the ARIADNE parton shower to an ATLAS study of gap activity in dijet events. We see that our description agrees well with the data throughout and in many distributions gives the best theoretical description. This shows the extra logarithmic corrections are essential to describe data already in LHC Run I. Secondly, we present a study of Z⁰/γ* plus dijets at 100 TeV. We compare the behaviour of the high energy logarithmic enhancements to the QCD perturbative series at 7 TeV and 100 Tev and see that at any high energy hadronic Future Circular Collider (FCC) the effects described by our resummation become significantly more important.

Grâce à l’exploitation du Large Hadron Collider, débutée en 2010, le monde de la physique des particules espère enfin avoir une compréhension plus précise du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et résoudre certaines questions expérimentales et théoriques que soulèvent encore le modèle standard. S’inscrivant dans cette effervescence scientifique, nous allons présenter dans ce manuscrit une paramétrisation largement indépendante des modèles afin de caractériser les effets d’une éventuelle nouvelle physique sur les mécanismes de production et de désintégration du bosons de Higgs. Ce nouvel outil pourra aisément être utilisé dans les analyses des grandes expériences généralistes comme CMS et ATLAS afin de valider ou d’exclure de manière significative certaines théories au delà du modèle standard. Ensuite, dans une approche différente, fondée sur la construction de modèles, nous avons considéré un scenario où les champs du modèle standard peuvent se propager dans un espace plat possédant six dimensions. Les nouvelles directions spatiales supplémentaires sont compactifiées sur un Plan Projectif Réel. Cet orbifold original est l’unique géométrie à six dimensions qui présente des fermions chiraux et un candidat de matière noire dit naturel. Le photon scalaire, particule la plus légère du premier mode de Kaluza-Klein, est en effet stabilisé par une symétrie résiduelle de l’invariance de Lorentz à six dimensions. En utilisant les contraintes actuelles fournies par les observations cosmologiques, nous avons déterminé l’ordre de grandeur de la masse de cette particule aux alentours d’une centaine de GeV. De ce fait les nouveaux états présents dans cette théorie sont suffisamment légers pour produire des signatures claires et observables au Large Hadron Collider. Avec une étude plus poussée du spectre de masses et des couplages du modèle, incluant les corrections radiatives à une boucle, nous avons pu ainsi donner les premières prédictions et contraintes sur la phénoménologie attendue au Large Hadron Collider. / With the start of the Large Hadron Collider runs, in 2010, particle physicists will be soon able to have a better understanding of the electroweak symmetry breaking. They might also answer to many experimental and theoretical open questions raised by the Standard Model. Surfing on this really favorable situation, we will first present in this thesis a highly modelindependent parametrization in order to characterize the new physics effects on mechanisms of production and decay of the Higgs boson. This original tool will be easily and directly usable in data analysis of CMS and ATLAS, the huge generalist experiments of LHC. It will help indeed to exclude or validate significantly some new theories beyond the Standard Model. In another approach, based on model-building, we considered a scenario of new physics, where the Standard Model fields can propagate in a flat six-dimensional space. The new spatial extra-dimensions will be compactified on a Real Projective Plane. This orbifold is the unique six-dimensional geometry which possesses chiral fermions and a natural Dark Matter candidate. The scalar photon, which is the lightest particle of the first Kaluza-Klein tier, is stabilized by a symmetry relic of the six dimension Lorentz invariance. Using the current constraints from cosmological observations and our first analytical calculation, we derived a characteristic massrange around few hundred GeV for the Kaluza-Klein scalar photon. Therefore the new states of our Universal Extra-Dimension model are light enough to be produced through clear signatures at the Large Hadron Collider. So we used a more sophisticated analysis of particle mass spectrum and couplings, including radiative corrections at one-loop, in order to establish our first predictions and constraints on the expected LHC phenomenology