The Higgs sector is the last part of the standard model of particle physics where we lack directexperimental results. Many extensions to the standard model describe an extended Higgs sector,often containing charged scalar bosons in addition to the standard model’s neutral Higgs boson.The H+WZ vertex can be used to distinguish between different non-standard Higgs sectors, andto measure the mass of the charged Higgs boson. In this report I will examine a promising searchchannels at the LHC and look at its phenomenology using monte carlo simulations.

The littlest Higgs model is one of the most economical solution to the hierarchy problem of the standard model. It predicts existence of new gauge vectors and also new scalars, neutral and charged. The littlest Higgs model predicts the existence of new scalars beside a scalar that can be assigned as Higgs scalar of the standard model. In this thesis, the production of scalars in $e^+e^-$ colliders is studied. The scalar productions associated with standard model Higgs boson are also analyzed. The effects of the parameters of the littlest Higgs model to these processes are examined in detail. The collider phenomenology of the littlest Higgs model is strongly dependant on the free parameters of the model, which are the mixing angles $s,s&#039 / $ and the symmetry breaking scale $f$. The parameters of the model are strongly restricted when the fermions are charged under only one $U(1)$ subgroup. In this thesis, by charging fermions under two $U(1)$ subgroups, the constraints on the symmetry braking scale and the mixing angles are relaxed. In the littlest Higgs model, the existence of charged heavy scalars also displays an interesting feature. By writing a Majorano like term in the Yukawa Lagrangian, these heavy charged scalars are allowed to decay in to lepton pairs, violating lepton number and flavor. In this thesis, the leptonic final states and also the lepton flavor and number violating final signals are also analyzed. As a result of these thesis, it is predicted that the scalar production will be in the reach for a $sqrt{S}=2TeV$ $e^+ e^-$ collider, giving significant number of lepton flavor violating signals depending on the Yukawa couplings of the flavor violating term.

This thesis presents a Monte Carlo study of the search for charged Higgs bosons heavier than the mass of the top quark within the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) at the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Charged Higgs bosons are predicted in many non-minimal Higgs extensions of the Standard Model. Their discovery would be a clear signal for the existence of New Physics beyond the Standard Model, possibly the first experimental evidence to be found if the MSSM is realized in nature. The feasibility of detecting the heavy charged Higgs boson with a mass up to 600 GeV is studied in the decay channel H->tb for an integrated luminosity of 30 inverse femtobarns at a center-of-mass energy of 10 TeV. A major difficulty for charged Higgs boson reconstruction is the combinatorial background in the complex multi-jet final state environment. It is shown that this can be overcome by applying a kinematic fitting procedure and by a subsequent cut-based event and candidate selection. An iterative solution of the developed kinematic fit with non-linear constraints is presented. In addition, the reconstruction of charged Higgs bosons makes high demands on the ability to identify jets containing b-hadrons. A special b-tagging algorithm is introduced and a comparison with first ATLAS data is presented showing good agreement of the expected performance. This study is performed with a realistic simulation of the ATLAS detector and takes into account all dominant experimental uncertainties and statistical uncertainties arising from limited Monte Carlo statistics. The result is given in terms of discovery and exclusion contours in the (m(H), tan(beta)) parameter space in the mhmax scenario of the MSSM. This study indicates that the heavy charged Higgs boson can be discovered in this decay channel only for large values of tan(beta). It, however, can contribute to a combined H sensitivity including other decay channels. Compared to previous studies the discovery reach could be improved. / Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Monte Carlo Studie zur Suche nach geladenen Higgs Bosonen mit einer Masse größer als die des top Quarks im Kontext des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) am ATLAS Experiment am CERN Large Hadron Collider. Geladene Higgs Bosonen werden von vielen Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt. Ihre Entdeckung wäre ein klares Indiz für neue Physik jenseits des Standardmodells, möglicherweise der erste experimentelle Befund für das MSSM. Eine Machbarkeitsstudie zur Entdeckung geladener Higgs Bosonen mit Massen bis zu 600 GeV im Zerfallskanal H->tb für eine integrierte Luminosität von 30 inversen femtobarn und einer Schwerpunktsenergie von 10 TeV wird vorgestellt. Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Rekonstruktion geladener Higgs Bosonen ist der durch den komplexen Endzustand mit vielen Jets auftretende kombinatorische Untergrund. Es wird gezeigt, dass die Rekonstruktion durch Anwendung eines kinematischen Fits mit anschließender schnittbasierter Ereignis- und Kandidatenselektion möglich ist. Eine iterative Lösung des entwickelten kinematischen Fits mit nicht-linearen Zwangsbedingungen wird vorgestellt. Des Weiteren stellt die Rekonstruktion geladener Higgs Bosonen hohe Ansprüche an die Möglichkeit, Jets, welche b-Hadronen beinhalten, zu identifizieren. Ein spezieller b-tagging Algorithmus wird vorgestellt und ein Vergleich mit den ersten ATLAS Daten zeigt eine gute Übereinstimmung mit den erwarteten Eigenschaften. Die Studie wurde mit einer realistischen ATLAS Detektorsimulation durchgeführt und beinhaltet alle dominanten experimentellen Unsicherheiten sowie die statistische Unsicherheiten aufgrund begrenzt vorhandener simulierter Ereignisse. Die erwarteten Entdeckungs- und Ausschlusskonturen im mhmax Szenario des MSSM werden als Funktion der geladenen Higgs Boson Masse und tan(beta) gegeben. Die durchgeführte Studie zeigt, dass geladene Higgs Bosonen in diesem Zerfallskanal nur bei großen Werten von tan(beta) entdeckt werden können. Dennoch kann dieser Zerfallskanal zur H Sensitivität beitragen, wenn andere Zerfallskanäle mit in Betracht gezogen werden. Im Vergleich zu vorherigen Studien konnte die Sensitivität erhöht werden.

Heidelberg, Univ., Diss., 2007. / Online publiziert: 2008.

De nombreux modèles, au delà du modèle standard, prédisent l’existence de résonances se désintégrant en deux photons. La signature expérimentale très spécifique, associée à l’excellente résolution en masse et à la distribution du bruit de fond bien comprise, en font un canal roi pour la recherche de nouvelle physique.Ce document présente la recherche de nouvelles particules se désintégrant en une paire de photons effectuée auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN avec le détecteur ATLAS. L’ensemble des données de collisions de protons, accumulées en 2015 et 2016, à l’énergie dans le centre de masse de 13 TeV, correspond à 37 fb-1.J’ai développé la méthode et la procédure pour décrire un éventuel signal, en simulant des résonances de masses et largeurs variables. Avec ce modèle j’ai pu calculer l’efficacité de sélection et donner une interprétation statistique des résultats. Cette analyse a permis de montrer que les données collectées sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Des limites sur la section efficace de production couplée au rapport d’embranchement en deux photons, en fonction de la masse et de la largeur de la résonance considérée sont présentées.Le calorimètre électromagnétique de ATLAS joue un rôle clé pour cette analysis di-photon. L’excellente résolution en énergie permet de reconstruire électrons et photons avec une précision de l’ordre de 1% aux énergies considérées. J’ai pris part au fonctionnement du calorimètre lors du démarrage du run-2 et décris ici mes contributions.Finalement, un des points clé pour la mesure de la masse du boson de Higgs est la qualité de la calibration de l’énergie des photons. J’ai développé une approche qui permet de prendre en compte l’impact du développement latéral des gerbes électromagnétiques sur la reconstruction de l’énergie. Cette méthode permettra de réduire l’erreur systématique sur la mesure de la masse du boson de Higgs, mesurée par son mode de désintégration en deux photons. / New high-mass states decaying into two photons are predicted in many extensions of the Standard Model (SM). The diphoton final state provides a clean experimental signature with excellent invariant mass resolution and well-known smooth backgrounds.This document presents a search for new particles with diphoton final state at the Large Hadron Collider with the ATLAS detector. The pp collision data used were collected during 2015 and 2016 runs with a center-of-mass energy of 13 TeV. The total corresponding luminosity is ~37 fb-1.In this thesis, I show my contribution to the search of scalar particle. The studies of signal modeling for different mass and width hypothesis will be described in details. The estimation of selection efficiencies and statistical interpretations of results are performed.The data are consistent with the Standard Model background-only hypothesis. Limits on the production cross section times branching ratio to two photons of such resonances as a function of the resonance mass and width are presented.The Liquid Argon electromagnetic calorimeter plays a crucial role in the diphoton analysis. The excellent energy resolution allows to reconstruct objects with high precision. The contribution to operation of LAr calorimeter and its online software will be discussed.The calibration of the electron and photon energy measurements with the electromagnetic calorimeter is performed. The systematic uncertainties related to energy response are one of the largest contribution limiting the precision measurements of the Standard Model Higgs boson mass. The approach to improve the energy response taking into account lateral shower shape development is applied in the calibration procedure.

Deux problèmes majeurs requièrent une extension du Modèle Standard (MS) : le problème de hiérarchie dans le secteur de Higgs, et la matière noire de notre Univers. La découverte d'un boson de Higgs avec une masse d'environ 125 GeV est clairement l'événement majeur en provenance du Large Hadron Collider (LHC) du CERN. Cela représente le triomphe définitif du MS, mais cela met également en lumière le problème de hiérarchie et ouvre de nouvelles voies pour sonder la nouvelle physique. Les différentes mesures effectuées pendant le run I du LHC contraignent les couplages du Higgs aux particules du MS ainsi que les désintégrations invisibles et non-détectées. Dans cette thèse, l'impact des résultats sur le boson de Higgs au LHC est étudié dans le cadre de différents modèles de nouvelle physique, en prenant soigneusement en compte les incertitudes et leurs corrélations. Des modifications génériques à la force des couplages du Higgs (pouvant provenir de secteurs de Higgs étendus ou d'opérateurs de dimension supérieure) sont étudiées. De plus, des modèles de nouvelle physique spécifiques sont testés, notamment, mais pas seulement, le Modèle Standard Supersymétrique Minimal phénoménologique.Alors qu'un boson de Higgs a été trouvé, il n'y a toutefois nulle trace de physique au-delà du MS au run I du LHC en dépit du grand nombre de recherches effectuées par les collaborations ATLAS et CMS. Les conséquences des résultats négatifs obtenus lors de ces recherches constituent un autre volet important de cette thèse. Tout d'abord, des modèles supersymétriques avec un candidat à la matière noire sont étudiés à la lumière des résultats négatifs dans les recherches de supersymétrie au LHC, en utilisant une approche basée sur les "modèles simplifiés". Ensuite, des outils pour contraindre un modèle de nouvelle physique quelconque à partir des résultats du LHC et d'événements simulés sont présentés. De plus, au cours de cette thèse, les critères de sélection de plusieurs analyses au-delà du MS ont été réimplémentés dans le cadre de MadAnalysis 5 et ont été intégrés à une base de données publique. / Two major problems call for an extension of the Standard Model (SM): the hierarchy problem in the Higgs sector and the dark matter in the Universe. The discovery of a Higgs boson with mass of about 125 GeV was clearly the most significant piece of news from CERN's Large Hadron Collider (LHC). In addition to representing the ultimate triumph of the SM, it shed new light on the hierarchy problem and opened up new ways of probing new physics. The various measurements performed at Run I of the LHC constrain the Higgs couplings to SM particles as well as invisible and undetected decays. In this thesis, the impact of the LHC Higgs results on various new physics scenarios is assessed, carefully taking into account uncertainties and correlations between them. Generic modifications of the Higgs coupling strengths, possibly arising from extended Higgs sectors or higher-dimensional operators, are considered. Furthermore, specific new physics models are tested. This includes, in particular, the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model.While a Higgs boson has been found, no sign of beyond the SM physics was observed at Run I of the LHC in spite of the large number of searches performed by the ATLAS and CMS collaborations. The implications of the negative results obtained in these searches constitute another important part of this thesis. First, supersymmetric models with a dark matter candidate are investigated in light of the negative searches for supersymmetry at the LHC using a so-called "simplified model" approach. Second, tools using simulated events to constrain any new physics scenario from the LHC results are presented. Moreover, during this thesis the selection criteria of several beyond the SM analyses have been reimplemented in the MadAnalysis 5 framework and made available in a public database.

Cette thèse présente la recherche d'un boson de Higgs chargé (H+) qui serait produit dans les collisions proton-proton à des énergies de 7 TeV$ et 8 TeV, en utilisant les données recueillies par l'expérience ATLAS au LHC (Large Hadron Collider). Plusieurs canaux de recherche sont utilisés, présentant la caractéristique commune de contenir au moins un lepton chargé (électron ou muon) énergétique, ce qui réduit efficacement le bruit de fond contenant des jets, tout en permettant un déclenchement efficace du détecteur.Ici le boson de Higgs chargé se désintègre en un lepton tau et un neutrino, ce qui conduit à des états finaux avec deux leptons chargés, ou bien un lepton chargé et un tau hadronique. Une source importante de taus mal identifiés provient de quarks et de gluons, par l'intermédiaire des jets hadroniques qu'ils initient. Plusieurs méthodes ont été développées pour estimer ce bruit de fond, l'une d'elles étant basée directement sur les données. Des processus avec des bosons de Higgs chargés dont la masse est soit en dessous soit au-dessus de celle du quark top sont considérés. Avec l'ensemble de données recueillies à une énergie de 8 TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 20,3/fb, des limites avec un taux de confiance de 95% sont placées sur le rapport de branchement Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) entre 1,1 et 0,3% pour des masses du boson de Higgs chargé entre 80 GeV et 160 GeV, et sur la section efficace de production du boson de Higgs chargé en association avec un quark top entre 0,53 et 0,04 pb, pour un boson de Higgs chargé ayant cette fois une masse comprise entre 180 GeV et 1 TeV. / This thesis presents searches for a charged Higgs boson (H+) in proton-proton collisions with center-of-mass energies of 7 TeV and 8 TeV, using data collected by the ATLAS experiment at the CERN Large Hadron Collider. Multiple search channels are used with a common characteristic of at least one charged lepton (electron or muon) that effectively reduces the multi-jet background and is used for efficient triggering.Charged Higgs bosons decaying to a tau lepton and a neutrino are searched for using final states with two charged leptons or one charged lepton and a hadronically decaying tau. A significant background originates from quark- and gluon-initiated jets that may be misidentified as hadronic tau decays. Methods to estimate this background are developed, including a largely data-driven matrix method. Signal processes with a charged Higgs boson mass below or above that of the top quark are considered. With the dataset collected at a center-of-mass energy of 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3/fb, upper limits at 95% confidence level are placed on the branching fraction Br(t -> bH+)*Br(H+ -> tau nu) in the range 1.1-0.3% for charged Higgs boson masses between 80 GeV and 160 GeV, and on the top-quark associated charged Higgs boson production cross section in the range 0.53-0.04 pb for charged Higgs boson masses between 180 GeV and 1 TeV.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação apresento as atividades que foram desenvolvidas durante o período de mestrado, que teve como objetivo o desenvolvimento da Técnica de Análise de dados através do Método de Elemento de Matriz (ME) para procura do Bóson de Higgs no experimento CMS. A proposta foi utilizar uma técnica de análise de dados relativamente nova, conhecida como Método do Elemento de Matriz (ME). Esta técnica foi desenvolvida e utilizada recentemente para aplicação na física do quark top nos experimentos D0 e CDF do Tevatron (FERMILAB). Entretanto, ainda não existem estudos envolvendo a aplicação da mesma para a física do Higgs no LHC. O método de ME foi aplicado na procura do Higgs no canal de decaimento H → W+ W- →+ν-ν, qual os estudos atuais apontam como sendo um dos canais com maior potencial de descoberta, principalmente nesta fase inicial em que a estatística ainda será muito limitada. / We present the activities that were developed during the Master, which aimed at the development of the data analysis technique using the Matrix Element Method (ME) in the Higgs boson search in the CMS experiment. The proposal was to use a data analysis technique relatively new known as Matrix Element Method (ME). This technique was developed and used recently for application in the top quark physics in D0 and CDF experiments at the Tevatron (Fermilab). However, there are no studies involving the use of it in the physics of the Higgs at the LHC. The ME method was applied in the Higgs boson search in the decay channel H → W+ W- →+ν-ν , which the current studies indicate as being one of the channels with the highest potential for discovery, especially at this early stage in which the statistic is still very limited.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente trabalho tem por finalidade determinar a luminosidade necessária para se impor um limite para exclusão e a signifucância para evidência e descoberta para um bóson de Higgs de mH = 200 GeV no canal qqH → ZZ → 4. Também, apresenta-se uma crítica a qualidade da relação sinal/fundo em eventos de fusão de bósons vetoriais conhecida da literatura atual. / This analysis aims to determine the luminosity required to impose an exclusion limit and significance for evidence and discovery for a Higgs boson of mH = 200 GeV on the channel qqH → ZZ → 4. Also, it presents a critical to the quality of the relation signal/background in vector boson fusion events known form the current literature.

En 2012, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé la découverte d’un nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs prévu par le modèle standard. Cette particule a été postulée dans les années 1960. Elle explique comment les particules fondamentales obtiennent leurmasse. Cependant, la plupart des modèles allant au-delà du modèle standard prédisent l'existence de bosons de Higgs chargés. Les propriétés de telles particules, par exemple sa masse et son couplage aux autres particules, ne sont pas précisément prédites par la théorie, mais constituent un espace deparamètres qui doit être exploré. Des recherches de bosons de Higgs chargés ont été effectuée avant le LHC, cependant l'extension en énergie réalisée par le LHC a permis d'explorer un domaine plus large en masse. Dans ce travail nous avons cherché un boson chargé de Higgs se décomposant en une paire de quarks t et b. Aucun écart par rapport au modèle standard n'a été observé dans les données recueillies jusqu’en 2016, nous pouvons en déduire deslimites supérieures sur le taux de production d’un boson chargé de Higgs.Ces limites peuvent alors être utilisées pour exclure des parties de l’espacedes paramètres.Le LHC sera mis à niveau vers 2025 pour augmenter sa luminosité (le nombre de collisions par seconde et par cm2). Les protons sont accélérés par paquets. Ainsi, la luminosité peut être augmentée en injectant plus de protons par paquet, mais aussi en focalisant les paquets (réduisant leur taille transverse) au point de collision. Cela signifie que le taux auquel nouspouvons espérer produire des événements rares augmentera, mais aussique le taux de bruit de fond correspondant à l'empilement (le nombre de collisionsmoles de protons par croisement) augmentera. Le taux de croisement de paquets au LHCest trop élevé pour pouvoir lire et stocker toutes les don-nées produites. Ainsi nous devons utiliser un système de déclenchement quisélectionne rapidement les événements intéressants à enregistrer. Le système de déclenchementactuel n'est pas adapté au taux élevé d’empilement attendu pour la phase à hauteluminosité (HL) du LHC. Il doit donc être améliorée.Une façon de le faire est d'utiliser les informations du détecteur internequi fournit des informations sur les trajectoires de particules chargées.En utilisant des algorithmes qui peuvent être mis en œuvre dans l'électronique,un déclenchement de premier niveau sur les traces peut être rendu assez rapide pour fonctionnerdans la courte latence requise au HL-LHC. Le détecteur interne fournitdes points d’espace, des mesures des trajectoires des particules à des intervalles différents où sont installés des pistes de silicium. La quantité dedonnées du trajectomètre est trop grande, aussi effectuer des calculs sur toutes les combinaisons de points spatiaux prendrait trop de temps. Par conséquent, undéclenchement interne de premier niveau doit pouvoir sélectionner un sous-ensemble de pointsspatiaux sur lesquels effectuer le calcul. Dans cette thèse, nous avons exploré l’idée d’utiliser les régions d'intérêt fournies par le système de déclenchement d’électrons et de muonspour sélectionner une partie du volume du détecteur interne, puis de sélectionner lespoints d’espace qui correspondent aux modèles attendus des traces à haute énergie. Il a été démontré que c’est une option viable pour réduire les taux de bruit de fond tout en gardant une efficacitéélevée pour les événements que nous voulons garder, même dansdes conditions élevées d’empilement. / In 2012 the ATLAS and CMS experiments announced the discoveryof a new particle, a Higgs boson. This particle was hypothesized in the1960’s and explains how fundamental particles get their mass. However, amodel with a single Higgs boson is still not able to explain the aforemen-tioned cosmological observations. An electrically charged Higgs boson isa feature of many suggested extensions of the current model, includingsupersymmetry. The properties of such a particle, e.g. its mass and howit interacts with other particles are not fixed by theory but forms a pa-rameter space in which we must look for it. Searches for charged Higgsbosons have been performed prior to the LHC, but with the new energyscale of the LHC, the experiments have been able to look for heavier par-ticles. In this work we searched for a charged Higgs boson decaying intothe heaviest two quarks, a top and bottom pair. No deviations from thestandard model were found in the data gathered up until 2016, and hencewe can set upper limits on the production rate of a charged Higgs boson.These limits can then be used to exclude parts of the parameter space.The LHC will be upgraded around 2025 to increase the luminosity,that is the intensity of the proton beams. Protons are not acceleratedone by one at the LHC but in bunches. The luminosity can be increasedby using more protons per bunch but also by squeezing the bunches to besmaller at the point of collision. This means that the rate at which we canhope to produce rare events will increase but also that the backgroundrates and so called pile-up, the number of proton collisions per bunchcrossing, will increase. The rate of bunch crossings at the LHC is muchtoo high for ATLAS to be able to readout and store all data for eachevent, instead we use triggers that select events which look interesting.The current triggers are not suited for the high rates and pile-up of theHigh Luminosity (HL) LHC after the upgrade and must thus be improved.A way to do this is to use the information from the tracking detector thatprovides information on the trajectories of charged particles. By usingalgorithms that can be implemented in hardware a track trigger can bemade fast enough to work within the short latency required at the HL-LHC. The tracking detector provides space points, measurements of theparticle trajectories at different intervals, to which a track can be fitted.The amount of data from the tracker is very large, and performing trackfits on all the combinations of the space point would take too much time.Therefore a track trigger must be able to select a subset of space points onwhich to perform the track fit. For this thesis we have explored the idea ofusing standalone electron and muon triggers to select a part of the trackervolume, and then select space points that match precomputed patternsthat correspond to high energy particles. It has been shown that this isa viable option to reduce background rates while keeping high efficiencyfor the events we want to keep, even in high pile-up conditions.