Composite Higgs Models (CHMs) are formulated in terms of strongly coupled theories. They often predict fermionic top partners with a mass around the TeV scale. Going beyond minimality enriches the spectrum of the theory with additional hypothetical scalars that significantly change the phenomenology. In this thesis, we explore an SO(6)/SO(5) CHM with an additional pseudo-scalar custodial singlet. The latter has anomalous couplings to the Standard Model vector bosons. We study the phenomenology of the singlet, including bounds from the available ATLAS and CMS searches in the relevant channels with di-boson and fermionic final states. We used HiggsBounds tool to test the model theoretical predictions against the current exclusion limits. The study is performed at the 8 and 13 TeV experiments at the LHC. We present a model parameter space from which the bounds on the (most sensitive) signal cross sections of the hypothetical singlet can be easily extracted.

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances. / Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.

O Modelo Padrão (MP) da física de partículas fornece uma descrição extremamente bem sucedida de todos os dados experimentais atuais. No entanto, temos razões para esperar que ele não seja válido até escalas de energia arbitrariamente altas. No MP a massa do bóson de Higgs é quadraticamente sensível a correções radiativas, sofrendo de grandes problemas de ajuste fino. Isso gera o chamado problema da hierarquia de gauge, cuja solução natural requer nova física na escala TeV. O MP também não fornece nenhuma explicação para a grande hierarquia de massas e ângulos de mistura dos férmions. Os problemas de hierarquia podem ser resolvidos naturalmente em teorias com uma dimensão extra curva. No entanto, a sua versão mais simples viola sabor a nível árvore, em conflito com os dados. Nesta tese investigaremos modelos quadridimensionais que descrevem a física na escala TeV obtidos da discretização de teorias em cinco dimensões no espaço AdS5, segundo o procedimento de desconstrução dimensional. As hierarquias de gauge e das massas dos férmions são geradas naturalmente como no modelo extra-dimensional, satisfazendo ainda os vínculos de sabor e de precisão eletrofraca. Estudaremos também um modelo desconstruído em que o Higgs é um pseudo bóson de Nambu-Goldstone, a fim de obter um Higgs naturalmente leve e dinamicamente localizado / The Standard Model (SM) of particle physics provides an extremely successful description of all current experimental data. However, we have reasons to expect that it cannot be valid up to arbitrarily high energy scales. In the SM the Higgs boson mass is quadratically sensitive to radiative corrections and, hence, suffers from a severe fine-tunning problem. This creates the so-called gauge hierarchy problem, the natural solution of which requires new physics at the TeV scale. The SM also doesnt provide any explanation for the large hierarchy of fermion masses and mixing angles. The hierarchy problems can be naturally solved in theories with a warped extra dimension. However, their simplest version violates flavor at tree level, conflicting with experimental data. In this thesis we investigate four dimensional models that describe physics at the TeV scale obtained from a coarse discretization of five dimensional theories in AdS5 space, by the dimensional deconstruction procedure. The gauge as well as the fermion mass hierarchies are naturally generated in the same manner as in the extra-dimensional model, while also satisfying bonds from flavor physics and precision electroweak data. We also study a deconstructed model in which the Higgs is a pseudo Nambu-Goldstone boson, with the motivation of obtaining a naturally light and localized Higgs.

O Modelo Padrão (MP) da física de partículas fornece uma descrição extremamente bem sucedida de todos os dados experimentais atuais. No entanto, temos razões para esperar que ele não seja válido até escalas de energia arbitrariamente altas. No MP a massa do bóson de Higgs é quadraticamente sensível a correções radiativas, sofrendo de grandes problemas de ajuste fino. Isso gera o chamado problema da hierarquia de gauge, cuja solução natural requer nova física na escala TeV. O MP também não fornece nenhuma explicação para a grande hierarquia de massas e ângulos de mistura dos férmions. Os problemas de hierarquia podem ser resolvidos naturalmente em teorias com uma dimensão extra curva. No entanto, a sua versão mais simples viola sabor a nível árvore, em conflito com os dados. Nesta tese investigaremos modelos quadridimensionais que descrevem a física na escala TeV obtidos da discretização de teorias em cinco dimensões no espaço AdS5, segundo o procedimento de desconstrução dimensional. As hierarquias de gauge e das massas dos férmions são geradas naturalmente como no modelo extra-dimensional, satisfazendo ainda os vínculos de sabor e de precisão eletrofraca. Estudaremos também um modelo desconstruído em que o Higgs é um pseudo bóson de Nambu-Goldstone, a fim de obter um Higgs naturalmente leve e dinamicamente localizado / The Standard Model (SM) of particle physics provides an extremely successful description of all current experimental data. However, we have reasons to expect that it cannot be valid up to arbitrarily high energy scales. In the SM the Higgs boson mass is quadratically sensitive to radiative corrections and, hence, suffers from a severe fine-tunning problem. This creates the so-called gauge hierarchy problem, the natural solution of which requires new physics at the TeV scale. The SM also doesnt provide any explanation for the large hierarchy of fermion masses and mixing angles. The hierarchy problems can be naturally solved in theories with a warped extra dimension. However, their simplest version violates flavor at tree level, conflicting with experimental data. In this thesis we investigate four dimensional models that describe physics at the TeV scale obtained from a coarse discretization of five dimensional theories in AdS5 space, by the dimensional deconstruction procedure. The gauge as well as the fermion mass hierarchies are naturally generated in the same manner as in the extra-dimensional model, while also satisfying bonds from flavor physics and precision electroweak data. We also study a deconstructed model in which the Higgs is a pseudo Nambu-Goldstone boson, with the motivation of obtaining a naturally light and localized Higgs.

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La recherche de la production de gluons lourds gKK, de type Kaluza-Klein dans la théorie avec dimensions supplémentaires, qui se désintègre en une paire de SM quark top (t¯t), ou en un VLQ top et un SM quark top (tT ), est présentée dans cette thèse. Cette recherche est basée sur les collisions de proton proton à 8 TeV, enregistrées durant l’année 2012 par le détecteur ATLAS au LHC, au CERN. La luminosité, correspondante à ces énergies de collisions, a été de 20.3 fb^−1. Dans le cas de gKK -> tT , trois types d’analyses ont été effectuées de façon indépendante: VLQ top (T) se désintégrant en un boson W et un quark b (T -> W b), avec un large rapport de branchement, VLQ top se désintégrant en un boson de Higgs composite et un SM quark top (T -> H t), avec un large rapport de branchement, et VLQ top se désintégrant en un boson Z et un SM quark top (T -> Z t). Dans chaque cas, les données, issues des collisions, sont étudiées dans des états finaux avec un lepton et des jets. Ces états sont caractérisés par un electron ou un muon isolé ayant une impulsion transverse large, une énergie transverse manquante et jets. Les spectres de la masse invariante de t¯t et de t¯t+jets, sont ensuite examinés, afin de vérifier un éventuel excès (ou un déficit) inconsistant avec les prédictions du Modèle Standard. Aucune évidence de résonance de paire de quarks top a été observée, et une limite d’échelle de confiance de 95% a été déterminée pour des résonances lourdes prévues par les modèles benchmark. D’une part, une résonance correspondant à un gluon de type Kaluza–Klein (de largeur de 15.3%) prévu par le modèle Randall–Sundrum, qui se désintègre avec un taux d’embranchement de 100% en une paire de SM quarks top a été exclue avec 95% de degré de confiance, jusque pour les masses inférieures à 2.0 TeV. D’autre part, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, dans le modèle composite avec des paramètres de benchmark pour des angles de mélange et une largeur de 10%, de masse 1.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top, et, un VLQ top de masse 0.6 TeV pour tous les embranchements propres à VLQ top, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Finalement, les excitations de gluon de type Kaluza–Klein, de largeur de 10%, ayant une masse de 2.0 TeV, qui se désintègrent en un SM quark top et un VLQ top de masse 1.4 TeV, avec des scenarios qui respectent BR (T -> Wb) < 0.80, ont été exclues avec 95% de degré de confiance. Les échantillons utilisés lors de cette analyse ont été validés par la collaboration ATLAS, cependant les résultats montrés dans cette thèse n’ont pas été vérifiés par la collaboration ATLAS en vue d’une publication. / A search for production of the lightest Kaluza-Klein excitation of gluon (gKK), in theories with a warped extra dimension, that decays into Standard Model (SM) top quark pairs (t¯t) or into one vector-like top quark (VLQ top) in association with a SM top quark (Tt) is presented in this thesis. The search is based on proton proton collisions at 8 TeV recorded in 2012 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider and corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb^−1. For the analysis of gKK -> tT , we performed targeting three cases: VLQ top (T) with significant branching ratio to a W boson and a b-quark (T -> W b), VLQ top with significant branching ratio to a composite Higgs boson and a standard model top quark (T -> H t) and VLQ top with significant branching ratio to a Z boson and a standard model top quark (T -> Z t). Data are analyzed in the lepton-plus-jets final state, characterized by an isolated electron or muon with high transverse momentum, large missing transverse momentum and multiple jets. The invariant mass spectrum of t¯t and t¯t + jets is examined for local excesses or deficits that are inconsistent with the Standard Model predictions. No evidence for a top quark pairs resonance is found, and 95% confidence-level limits on the production rate are determined for massive states in benchmark models. On the one hand, a Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 15.3% with a branching ratio of 100% into a SM top quark pairs in a Randall–Sundrum model, is excluded for masses below 2.0 TeV. On the other hand, in a composite model where the heavy gluon decays to tT , using benchmark parameters for mixing angles, a 1.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon of width 10% that decay to one SM and a 0.6 TeV VLQ top, considering any VLQ top branching ratio scenario, is excluded at 95% Confidence Level (CL). Finally, a 2.0 TeV Kaluza–Klein excitation of the gluon, of width 10%, that decays into one SM in association with a 1.4 TeV VLQ top, with any scenario with BR (T -> Wb) < 0.80, is excluded at 95% CL. The samples used in these analyses were validated by ATLAS collaboration, however the results shown in this thesis were not reviewed by the ATLAS collaboration for publication.

An evaluation of how sensitive some ATLAS searches for new physics are to a new beyond standard model (BSM) vector-like quark (VLQ) and a pseudo Nambu-Goldstone boson (pNGB) scalar. This was done by simulating a signal containing these new particles and making a recast of it onto existing verified ATLAS searches for new physics at center-of-mass (CM) energy of 13 TeV (Run 2) at the Large Hadron Collider (LHC). Signals for recasting were tailored such that their final states would be appropriate in relation to each respective ATLAS search in order to use the same selection criteria as applied in the existing searches. The results are summarized in the form of significances (Z) for each masspoint of the new top-partner and S particle. Significances did not show any expectiation of excluding any masspoint in the examined mass range for the recasts at 95% CL. This suggests that a dedicated search for these particles in the considered masspoints would be required.