Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

This thesis discusses recent advances in precision calculations of quantum chromodynamics and their application to the Large Hadron Collider (LHC) physics program and beyond. The first half of the thesis is dedicated to the study of vector boson fusion Higgs (VBF) production; fully differential at the next-to-next-to-leading order level (NNLO), and inclusively at next-to-next-to-next-to-leading order (N³LO). Both calculations are performed in the structure function approximation, where the VBF process is treated as a double deep inelastic scattering. For the differential calculation a new subtraction method, "projection-to-Born", is introduced and applied. We study VBF production in a number of scenarios relevant for the LHC and for Future Circular Colliders (FCC). We find NNLO corrections after typical cuts of 5-6% while differential distributions show corrections of up to 10-12% for some standard observables. For the inclusive calculation we find N³LO corrections at the order of 1-2‰. The second half of the thesis presents recent results on the matching of fixed order calculations with parton showers. We first present the POsitive Weight Hardest Emission Generator (POWHEG) method for matching next-to-leading order (NLO) calculations with parton showers. We then proceed to apply it to the case of vector boson fusion ZZjj production and discuss the results for scenarios relevant for the LHC and a possible FCC. In order to present the matching of a NNLO calculation with a parton shower, we next discuss the Multi-Scale Improved NLO (MiNLO) procedure. By applying a reweighting procedure to MiNLO improved Drell-Yan production, we obtain a generator which is NNLO accurate when integrated over all radiation while providing a fully exclusive description of the final state phase space. We compare the calculation to dedicated next-to-next-to-leading logarithm resummations and find very good agreement. The generator is also found to be in good agreement with 7 and 8 TeV LHC data.

The analysis of the Higgs boson decay into the pairs of tau leptons H → ττ is presented. In the scope of this thesis, only the tau leptons decaying purely lep- tonically are considered. This analysis is performed using data recorded from the proton-proton collisions at a center-of-mass energy √ s = 13 TeV by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider and correspond to the integrated lumi- nosity of 36.1 fb−1 . The Boosted Decision Trees (BDT) multivariate technique was used in order to provide a classification of events. Datasets considered in this analysis consisted of the triggered, reconstructed and calibrated events. In addition, events had to pass the pre-selection criteria and were separated into four categories. Our main contribution to this analysis is based on developing and incorporating techniques used in the process of BDT training and evaluation. The performed analysis presented in this thesis is blinded. Therefore, the Monte Carlo simulation was used instead of real data in the Maximum Likelihood Fit in order to determine the expected significance. For the H → ττ leptonic channel, the expected signal significance was measured to be 1.16 σ. 1

La découverte en 2012 de la dernière particule élémentaire prédite par le Modèle Standard, le boson de Higgs, a ouvert une nouvelle ère en physique des particules. L’un des objectifs est désormais de sonder les couplages du boson de Higgs aux autres particules afin de confirmer la validité du modèle. Le travail de cette thèse a porté dans un premier temps sur l’identification de jets issus de quark b dès le système de déclenchement. L’objectif est de permettre de sélectionner un millier d’événements parmi les quarante millions produits chaque seconde au LHC en identifiant des objets présents dans l’état final de processus de physique intéressants tels que la production associée d’un boson de Higgs se désintégrant en paire de quark b avec un boson Z se désintégrant en neutrinos non détectés. Dans un second temps, l’étude du couplage du boson de Higgs au quark top, particule la plus massive au sein du Modèle Standard a été réalisée. Après l’étude d’un bruit de fond important de la production associée d’un boson de Higgs et d’une paire de quarks top, une nouvelle méthode a été utilisée pour améliorer la discrimination entre le signal et les principaux bruits de fond. Cette analyse a conduit à la première évidence expérimentale du couplage entre le boson de Higgs et le quark top. / The discovery in 2012 of the last elementary particle predicted by the Standard Model, the Higgs boson, has opened a new era in particle physics. One of the objectives now is to probe the coupling of the Higgs boson to other particles in order to confirm the validity of the model. The work of this thesis focused initially on the identification of jets coming from b quark at trigger level. The goal is to allow for the selection of one thousand events among the forty million produced every second at the LHC, by identifiying objects present in the final states of interesting physics processes such as the associated production of a Higgs boson decaying in a pair of b quark with a Z boson decaying into undetected neutrinos. The work then moved to the study of the coupling of the Higgs boson to the quark top, most massive particle in the Standard Model. After a study of one of the important background of the associated production of the Higgs boson and a top quark pair, a new method called matrix element method has been used to improve the discrimination between signal and background. This analysis has led to the first experimental evidence of coupling between the Higgs boson and the top quark.

Une particule compatible avec le boson de Higgs du modèle standard de la physique des particules a été découverte au grand collisionneur de hadrons (LHC) en juillet 2012 par les expériences Atlas et CMS. A ce jour, l'ensemble des mesures des couplages de ce boson de Higgs sont compatibles avec ceux prédits par le modèle standard. Toutefois le modèle standard possède des limitations et d'autres théories, telles la supersymétrie, ont été bâties afin de pallier à ces manques. Certaines de ces théories prédisent en particulier un secteur scalaire enrichi avec la présence de bosons de Higgs additionnels.D'un point de vue expérimental, le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons offre une signature claire et permet d'explorer le secteur de Higgs avec une grande précision. Les travaux présentés dans cette thèse ont été effectués dans le cadre de l'expérience CMS au LHC.La première partie est dédiée à l'étude de la reconstruction expérimentale des photons. Tout d'abord, une méthode de correction en énergie des photons est exposée. Puis des prospectives concernant l'évolution de la qualité de leur reconstruction avec le vieillissement du détecteur sont présentées.La deuxième partie fait l'objet de la recherche d'un second boson de Higgs de basse masse(en dessous de 110 GeV) dans le canal di-photon. Les résultats complets obtenus avec le jeu de données collecté en 2012, ayant fait l'objet d'une publication officielle, sont tout d'abord présentés. Les premiers résultats obtenus avec le jeu de données collecté en 2015 sont enfin introduits / A particle compatible with the Standard Model Higgs boson has been discovered at the Large Hadron Collider (LHC) in July 2012 by Atlas and CMS experiments. All the couplings measurements are so far compatible with those predicted by the Standard Model. However, this model is not able to address several fundamental physics issues and theories beyond the Standard Model, such as supersymmetry, have been proposed to address these questions. Some of them predict an extended Higgs sector with additional scalar or pseudoscalars at low mass.On the experimental point of view, the diphoton decay channel provides a clear signature and allows us to explore the Higgs sector with high precision.The studies presented in this thesis have been performed using the data collected by CMS at the LHC.The first part of the document is dedicated to photon reconstruction studies. First, a photon energy correction method is presented. Then, photon reconstruction performance is assessed in the context of the Phase I and Phase II detector upgrades, in high luminosity conditions.The second part of the document is dedicated to the search for an additional light Higgs boson (with a mass below 110 GeV) in the diphoton channel. First, the official results corresponding to the full 2012 dataset are exposed. Finally, results corresponding to 2015 data are presented

Cette thèse présente une étude du secteur scalaire dans le cadre du modèle standard (MS), ainsi que la recherche d'un secteur scalaire étendu dans des théories au-delà du MS. Ces analyses ont en commun la désintégration d'au moins un des bosons scalaires en une paire de leptons tau. Les résultats sont basés sur les données collectées par le détecteur CMS pendant le Run-1 du LHC, lors de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 7 ou 8 TeV. Le boson découvert en 2012, H, semble compatible avec un boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) du MS, mais ce constat se base essentiellement sur l'étude des modes de désintégration bosoniques. Le mode de désintégration H->tau tau est le canal fermionique le plus sensible, et permet de tester les couplages de Yukawa du nouveau boson. Cette thèse décrit dans un premier temps la recherche d'un boson scalaire se désintégrant en leptons tau et produit en association avec un boson vecteur. Les données du Run-1 ne sont pas sensibles aux petites sections efficaces de production prédites dans le SM, mais la combinaison avec les autres modes de production montre avec évidence l'existence de désintégrations du boson H en taus. De nombreux modèles au-delà du MS, tels que l'extension supersymétrique minimale du MS (MSSM) ou les modèles avec deux doublets scalaires (2HDM), prédisent l'existence de plusieurs boson scalaires. Quatre recherches d'un secteur scalaire étendu au-delà du MS sont présentées dans cette thèse. La première analyse recherche un pseudoscalaire avec une masse entre 220 et 350 GeV, se désintégrant en un boson scalaire similaire à celui du MS et en un boson Z, dans l'état final avec deux taus et deux leptons légers. La deuxième analyse explore la possibilité d'une désintégration exotique de la nouvelle particule en deux bosons scalaires plus légers dans l'état final avec deux muons et deux leptons tau. Dans le cadre de la troisième analyse, une région en masse quasiment inexplorée auparavant au LHC est testée par la recherche d'un pseudoscalaire avec une masse entre 25 et 80 GeV, se désintégrant en leptons tau et produit en association avec deux quarks b, dans le contexte des 2HDM. La dernière analyse recherche une résonance lourde se désintégrant en une paire de leptons tau dans le contexte du MSSM. Aucun indice de nouvelle physique n'a été trouvé dans les analyses décrites ci-dessus, mais des limites strictes sur les sections efficaces des différents signaux ont été déterminées. / This thesis presents a study of the scalar sector in the standard model (SM), as well as different searches for an extended scalar sector in theories beyond the standard model (BSM). All analyses have in common the fact that at least one scalar boson decays to a pair of tau leptons. The results exploit the data collected by the CMS detector during LHC Run-1, in proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 7 or 8 TeV.The particle discovered in 2012, H, looks compatible with a SM Brout-Englert-Higgs boson, but this statement is driven by the bosonic decay modes. The H-> tau tau decay mode is the most sensitive fermionic decay channel, and allows to test the Yukawa couplings of the new particle. The search for the SM scalar boson decaying to tau leptons, and produced in association with a massive vector boson W or Z, is described in this thesis. Even though a good background rejection can be achieved by selecting the leptons originating from the vector boson, Run-1 data are not sensitive to the small production cross sections predicted in the SM for the scalar boson. The combination with the gluon-gluon fusion and vector boson fusion production searches leads to an evidence for the decay of the H boson to tau leptons.Many BSM models, such as the minimal supersymmetric SM (MSSM) or models with two scalar doublets (2HDM), predict the existence of several scalar bosons. The decays of these bosons to tau leptons can be enhanced in some scenarios depending on the model parameters, which makes the di-tau decay mode powerful to discover BSM physics. Four searches for an extended scalar sector are detailed in this thesis. The first analysis searches for a pseudoscalar boson with a mass between 220 and 350 GeV, decaying to an SM-like scalar boson and a Z boson, in the final state with two light leptons and two tau leptons. Second, a search for the exotic decay of the new particle H to a pair of light pseudoscalar bosons, which is still allowed by all measurements made up to now, in the final state with two muons and two tau leptons is performed. Third, a mass region almost never explored at the LHC is probed by the search of a light pseudoscalar, with a mass between 25 and 80 GeV, decaying to tau leptons and produced in association with b quarks. The last analysis describes the search for a heavy resonance in the MSSM, decaying to a pair of tau leptons. None of these analyses has found any hint of new physics beyond the SM, but stringent limits on the cross section of such signals could be set. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

An important question at present in particle physics is whether the recently discovered boson with a mass of about 125 GeV is the Standard Model Higgs boson. A Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeV will predominantly decay to b-quark pairs. This work presents the author's contribution to the search with the ATLAS detector for a Standard Model Higgs boson produced in association with a W or Z boson and decaying to b-quark pairs. In order to search for the decay modes ZH → vvb¯b, WH → lvb¯b and ZH → l¯lb¯b, where l is either an electron or muon, events with zero, one or two electrons or muons are considered in 20:3 fb¯1 of 8 TeV LHC data. A Standard Model Higgs boson is not observed decaying to b-quark pairs, although neither is this decay mode ruled out. A Standard Model Higgs boson with a mass of between 110 GeV and 115 GeV is excluded. For mH = 125 GeV the observed (expected) upper limit on the cross- section times the branching ratio is found to be 2.16 (1.07) times the Standard Model prediction. For a Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeV, the best fit signal strength is μ = 1:09 +0:43-0:42 (stat) +0:44-0:37 (syst) = 1:09 +0:61-0:56. The combined results are consistent with a Standard Model Higgs boson with a mass of 125 GeV. The author's own work is presented, including estimation of systematic uncertainties on WH → lvb¯b modelling, and future ATLAS data selection methods for WH → lvb¯b searches. Overviews of underlying theoretical matters and the experimental facilities used are given.

A search for a light charged Higgs boson decaying into cs is presented using data recorded in pp collisions at √s = 7 TeV. The analysis uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 35.3 pb⁻¹ collected by the ATLAS detector at the LHC between June and November 2010. The search is based on the semi-leptonic tt channel searching for the process t → H⁺b where H⁺ → cs⁻. The invariant mass distribution of the dijet system consistent with the hadronic decay of a W⁺ is used to search for a secondary bump from hadronic H⁺ decays. With no observation of the charged Higgs signal, 95% confidence level upper limits on the decay branching ratio of top quarks to charged Higgs bosons are set as a function of the charged Higgs boson mass.

No description available.

Two searches for the production of Higgs bosons decaying into tau and mu leptons, using data collected with the DZero detector at the Fermilab Tevatron p-bar(p)collider, are presented. A search for the pair production of doubly charged Higgs bosons in the processq-bar(q) to H^{++}H^{--}, where H^{++} decays to tau-tau, mu-mu or tau-mu lepton pairs, with an integrated luminosity of up to L= 7.0 fb^{-1}, is presented. No significant excess of data over the expected SM background is observed and the results are used to set 95\% C.L. limits on the pair production cross section of doubly charged Higgs bosons in the range 90 < M_{H^{++}} < 200 GeV. A second search for the production of the Standard Model Higgs boson in the final state tau-tau-mu+X is presented, using an integrated luminosity of L=8.6 fb^{-1}. Again no significant excess of data is observed over the background expectation and 95% C.L. limits are set on the observed cross section relative to the Standard Model prediction, in the range 100 < M_{H} < 200 GeV.