Une recherche de résonance neutre et lourde X est effectuée dans le canal X→WW→eνμν en utilisant les données en collision pp correspondant à une luminosité intégrée d'environ 36,1 fb⁻¹, prises à une énergie dans le centre-de-masse de 13 TeV par le détecteur ATLAS au LHC. La résonance peut être soit un boson de Higgs scalaire lourd soit d'autres résonances lourdes aux spins différents. Deux scénarios de largeur sont étudiés pour un boson de Higgs lourd dans les modes de fusion gluon-gluon et de fusion vecteur-boson; une largeur soit étroite soit grande. Plusieurs hypothèses sont utilisées pour rechercher d'autres résonances, comme le modèle avec deux doublets de Higgs, le modèle de Georgi-Machacek, le modèle avec un triplet vectoriel en mode d'annihilation quark-antiquark, le modèle de Randall-Sundrum avec un graviton de spin 2 correspondant à un paramètre d'échelle de courbure de 1 ou 0,5 et un signal de spin 2 dans le mode de fusion vecteur-boson. Trois catégories d'événements indépendantes sont définies dans l'analyse : une catégorie inclusive où les espaces de phase en fusion vecteur boson sont exclus et deux autres catégories qui sont optimisées pour les signaux produits en mode de fusion vecteur-boson avec un jet ou au moins deux jets. Aucun excès significatif d'événements au-delà de la prédiction du bruit de fond du Modèle Standard ne se trouve dans la gamme de masse comprise entre 200 GeV et 5 TeV. Les limites supérieures sont obtenues sur le produit de la section efficace de la production de la résonance et du rapport de branchement X→WW. Pour les signaux de bosons de Higgs lourds, les valeurs supérieures à 6,4 pb et 1,3 pb à mH = 200 GeV et supérieures à 0,008 pb et 0,005 pb à 4 TeV sont exclues à un niveau de confiance de 95% pour la fusion gluon-gluon et la fusion vecteur-boson, respectivement. Pour les signaux prédits par le modèle avec un triplet vectoriel, les valeurs de masse inférieures à 1,3 TeV sont exclues. De la même manière, pour les signaux prédits par le modèle de Randall­ Sundrum, les valeurs de masse inférieures à 1,1 TeV et 850 GeV sont exclues pour le paramètre d'échelle de courbure de 1 et 0.5, respectivement. / A search for a heavy neutral resonance X is performed in the X→WW→eνμν decay channel using pp collision data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, collected at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The resonance can be either a heavy scalar Higgs boson or other heavy resonances with different spins. Two scenarios are considered for the heavy Higgs boson hypotheses with different decay widths in both the gluon-gluon fusion and the vector­ boson fusion production modes, namely a narrow-width approximation and a large width assumption. Several hypotheses are used for the interpretation to search for other resonances, like two Higgs doublet models, Georgi-Machacek model, heavy vector triplet model in the quark-antiquark annihilation mode, a bulk Randall-Sundrum graviton model with a spin-2 Graviton with a curvature scale parameter of either 1 or 0.5 and a spin-2 signal in the vector-boson fusion mode. Three orthogonal event categories are defined in the analysis: two vector-boson fusion categories which are optimised for the signals produced in the vector-boson fusion mode with one jet or at least two jets and one quasi-inclusive gluon-gluon fusion category where the vector boson fusion phase spaces defined by the two vector-boson fusion categories are excluded. No significant excess of events beyond the Standard Model background prediction is found in the mass range between 200 GeV and up to 5 TeV. Upper limits are set on the product of the production cross section of the resonance and the X→WW branching fraction. For heavy Higgs boson signals, values above 6.4 pb and 1.3 pb at 200 GeV and above 0.008 pb and 0.005 pb at 4 TeV are excluded at 95% confidence level for the gluon-gluon fusion and the vector-boson fusion production modes, respectively. For signals predicted by the heavy vector triplet model, mass values below 1.3 TeV are excluded. Similarly, for signals predicted by the bulk Randall-Sundrum graviton model, mass values below 1.1 TeV and 850 GeV are excluded for the curvature scale parameter of 1 and 0.5, respectively.

Le sujet de cette thèse porte sur la recherche de nouvelles résonances massives se désintégrant en une paire d’électrons ou une paire électron-muon avec le détecteur CMS, installé auprès du Grand Collisionneur du Hadrons (LHC) au CERN. Les données analysées correspondent à l’ensemble des collisions proton-proton enregistrées par le détecteur en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. Après une brève introduction au modèle standard des particules élémentaires et à quelques unes des théories allant au-delà, le LHC et le détecteur CMS sont présentés. La reconstruction des différentes particules créées lors des collisions, en particulier des électrons et muons de haute énergie, est ensuite discutée. Deux analyses séparées sont menées.<p>La première consiste en la recherche d’une nouvelle résonance étroite, plus massive que le boson Z, dans le spectre de masse invariante des paires d’électrons, dont la principale contribution, dans le modèle standard, provient du processus de Drell–Yan. De telles résonances sont notamment prédites par des modèles dits de grande unification ou à dimensions spatiales supplémentaires. Le bruit de fond provenant des processus du modèle standard étant réduit dans la région étudiée, quelques événements localisés peuvent suffire pour mener à une découverte, et la sélection des électrons est optimisée afin de ne perdre aussi peu d’événements que possible. Les différentes contributions des bruits de fond sont partiellement estimées à partir de simulations. Une méthode basée sur le spectre de masse invariante des paires électron-muon mesuré dans les données est développée pour valider la contribution du second bruit de fond en terme d’importance. Aucun excès n’est observé par rapport aux prédictions du modèle standard et des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sont placées sur le rapport entre la section efficace de production multipliée par le rapport de branchement d’une nouvelle résonance et celle au pic du boson Z. Ces limites sont ensuite converties en limites inférieures sur la masse de différentes particules hypothétiques de spin 1 ou de spin 2.<p>La seconde analyse consiste en une recherche de résonances massives et étroites dans le spectre de masse invariante des paires électron-muon. De telles résonances briseraient la conservation du nombre leptonique tel que prédit par le modèle standard. Cette possibilité existe cependant dans certains modèles de nouvelle physique. C’est notamment le cas pour un modèle à dimensions supplémentaires où apparaissent des nouveaux bosons neutres lourds. La sélection des événements demande un électron de haute énergie comme dans l’analyse précédente, et un muon de grande impulsion transverse. La stratégie de recherche est similaire au cas des paires d’électrons :le fait de rechercher un signal étroit rend l’analyse statistique très peu sensible aux erreurs systématiques affectant la normalisation absolue du spectre de masse électron-muon. Comme aucune déviation significative n’est observée par rapport aux prévisions du modèle standard, des limites supérieures sur la section efficace multipliée par le rapport de branchement sont établies pour le modèle à dimensions spatiales supplémentaires. Étant données les faibles valeurs théoriques de la section efficace de production des résonances violant la conservation de la saveur dans ce modèle, la quantité de données analysées ne permet pas d’en déduire une limite inférieure sur leur masse. Cette analyse représente néanmoins la première recherche directe avec l’expérience CMS, de bosons massifs, se désintégrant avec violation du nombre leptonique, en une paire électron-muon.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.