A search for diphoton events with large missing transverse energy is conducted using 3.1 pb^{-1} of integrated luminosity of proton-proton collisions at center of mass energy \sqrt{s}=7 TeV. The data were collected with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider during the period from March 30, 2010 until August 30, 2010. No excess of such events is observed above the Standard Model background prediction. This result is interpreted in the context of a gravity mediated One Universal Extra Dimension model with \Lambda R=20, N=6 and M_{D}=5 TeV, where \Lambda is the cutoff scale, N is the number of large extra dimensions and M_{D} is the Planck scale in the higher dimensional theory. The compactification radius of the Universal Extra Dimension, R, is excluded for values of 1/R < 728 GeV at 95\% CL, providing the most stringent limit on this model at the time of publication.

A search for diphoton events with large missing transverse energy is conducted using 3.1 pb^{-1} of integrated luminosity of proton-proton collisions at center of mass energy \sqrt{s}=7 TeV. The data were collected with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider during the period from March 30, 2010 until August 30, 2010. No excess of such events is observed above the Standard Model background prediction. This result is interpreted in the context of a gravity mediated One Universal Extra Dimension model with \Lambda R=20, N=6 and M_{D}=5 TeV, where \Lambda is the cutoff scale, N is the number of large extra dimensions and M_{D} is the Planck scale in the higher dimensional theory. The compactification radius of the Universal Extra Dimension, R, is excluded for values of 1/R < 728 GeV at 95\% CL, providing the most stringent limit on this model at the time of publication.

Les premières années d’opération du LHC à 7 et 8 TeV ont permis de tester de nombreux aspects du modèle standard (MS) de la physique des particules avec comme point d’orgue la découverte d’un boson scalaire compatible avec celui du MS. Cependant, malgré son succès, le MS n’explique pas tout. De nombreux modèles essayent donc de combler les manques du MS et certains requièrent un secteur scalaire étendu. Cette thèse étudie ce secteur scalaire et présente en particulier la recherche d’un nouveau boson scalaire massif en utilisant les 35,9 fb-1 de données récoltées au LHC à 13 TeV en 2016. Cette recherche se concentre sur le processus H→ZZ→2l2ν où l est un electron ou un muon, et ν un neutrino. Une analyse statistique des distributions de masse transverse du boson (Z→l^+ l^-) reconstruit et de l’énergie transverse manquante est réalisée en catégories de jets et de saveurs de lepton après une sélection des événements dans le but de faire sortir un signal potentiel par rapport aux bruits de fond. Divers scenarios de masse, largeur et de mode de productions sont testés pour un boson scalaire H et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour une gamme de masses allant de 300 GeV à 3 TeV. Des limites supérieures à 95% de niveau de confiance sur la section efficace σ(pp→H→ZZ) sont établies. Ces résultats sont combinés avec deux autres canaux étudiés par la collaboration CMS :H→ZZ→4l et H→ZZ→2l2q, où q représente un quark. Cette combinaison est publiée (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) et aucun excès significatif n’est observé dans les données pour des masses entre 130 GeV et 3 TeV. Un bruit de fond majeur pour cette analyse est le bruit de fond instrumental Z+jets. Son estimation est faite non pas par simulation mais en utilisant les données récoltées par CMS. Un chapitre entier est dédié à l’étude de ce bruit de fond et les incertitudes sur celui-ci sont estimées en détails pour la première fois. En particulier les sources d’incertitudes sont divisées en celles d’origine statistique, systématique et celles inhérentes à la méthode d’estimation de ce bruit de fond. Elles sont respectivement de l’ordre de 50%, 50% et 10%. / The first years of operation of the LHC at 7 and 8TeV (run 1) allowed to probemany aspects of the Standard Model (SM) of particle physics, confirming many predictions up to a high level of precision. An awaited event was the discovery of a scalar boson compatible with the SM in 2012. However, despite its success, the SM cannot explain everything on its own. Models going beyond the SM try to address such issues, and in particular classes of BSM theories require an extended scalar sector.The scope of this thesis falls within the direct search for heavy BSM scalar boson(H) using 35,9 fb-1 of data taken at LHC at 13TeV during 2016 operations. Inparticular, the thesis focuses on H→ZZ→2l2ν where l is an electron or a muon, and ν a neutrino.A statistical analysis of the transversemass distributions of the reconstructed Z boson and the missing transverse energy isperformed in categories of jet and lepton flavour after selecting events in order to enhancethe number of potential signal events in comparison to background events. Variousscenarii of masses, widths and production mechanisms (gluon fusion and vector boson fusion) are tested and no excess is observed in data compared to backgroundestimations for a scalar mass between 300 GeV and 3TeV. Upper exclusion limits onthe cross section of a potential signal are set using the CLs method.The results of this analysis are combined with two other channels studied by theCMS collaboration: H→ZZ→4l and H→ZZ→2l2q, where q is a quark.This combinationhas been published (CMS Collaboration, « Search for a new scalar resonance decaying to a pair of Zbosons in proton-proton collisions at √s=13 TeV », JHEP, vol. 06, pp. 127,2018) and no significanthint for BSM physics is observed for a scalar mass between 130 GeV and 3TeV.A critical background to control for this analysis is the Z+jet background. Its estimation is done using a data-driven method.A full chapter is dedicated to the study of this background. The present thesis is the first time that the uncertainties on the data-driven estimationof the Z+jet background are estimated in detail. Uncertainties are dividedinto statistical uncertainties, systematic uncertainties and uncertainties inherent to themethod, the latter being computed from a closure test of the method and evaluated to10%. The relative statistical and systematic uncertainties are both of the order of 50%. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A sample of $ L dt = 3.67 pb{-1} of minimum bias events observed using the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at $\s=7 TeV is analyzed for Missing Transverse Energy (MET) response in the presence of in-time pile-up. We find that the MET resolution ($\sigma_\text{X,Y}$) is consistent with a simple model of the detector response for minimum bias events, scaling with respect to the sum of the scalar energy ($\sum E_\text{T}$) as $\sigma_\text{X,Y}=A\sqrt{\sum E_\text{T} }$. This behavior is observed in the presence of in-time pile-up and does not vary with global calibration schemes. We find a bias in the mean ($\mu_\text{X,Y}$) of the MET that is linear with respect to $\sum E_\text{T}$, leading to an asymmetry in the $\phi_\text{X,Y}$ distribution of the MET. We propose an explanation for this problem in terms of a misalignment of the nominal center of the ATLAS detector with respect to its real center. We contrast the data with a Monte Carlo sample produced using PYTHIA. We find that the resolution, bias and asymmetry are all approximately reproduced in simulation. / Graduate

Detector mis-modelling or hardware problems may cause an excess of Missing Transverse Energy (MET) to be inferred in physics events recorded in ATLAS, leading to higher than expected backgrounds for new physics. In particular, non-Gaussian tails in the MET distribution are unlikely to be well modelled in Monte Carlo simulations. To account for this, a technique has been established to improve the background predictions derived from Monte Carlo simulations. This is done using a correction derived through comparison of control samples in data and Monte Carlo simulation. Two different control samples are used to create the correction, giving a range of predictions for the shape of the MET tail and aiding the calculation of systematic errors. This technique is then applied to several samples which are potential backgrounds to new physics which give detector signatures which include MET. / Graduate

Title: Measurement of the top quark properties Author: Mgr. Jaroslava Schovancová Department: Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Re- public Supervisor: RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D., Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: This Thesis presents the ATLAS experiment measurement of the top quark differential cross-section as a function of pT, mass and rapidity of the t¯t system. A sample of approx. 4.7 fb−1 of the 2011 pp collision data at the center-of-mass energy of 7 TeV was analyzed. The differential spectra shapes in the t¯t system are consistent with the Standard Model and reason- ably described by the event generators. Several activities in the scope of ATLAS Distributed Computing are pre- sented, particularly in the area of operations, monitoring, automation, and development of the PanDA Workload Management System. Such activities aim to improve efficiency and facilitate the use of distributed computing re- sources and therefore contribute in supporting the ATLAS Physics Program. Keywords: ATLAS, top quark, differential cross-section, missing transverse energy, ATLAS Distributed Computing

Au LHC, l'un des buts essentiels à savoir était de trouver la dernière pièce manquante du modèle standard (MS), i.e. le boson de Higgs (H). La recherche fut couronnée de succès avec les données prises en 2012 et la découverte d'une nouvelle particule scalaire de masse ~126 GeV, se désintégrant en deux bosons (deux photons ou deux bosons électrofaibles ZZ or W+W-). Pour vérifier la compatibilité de la nouvelle particule avec les prédictions du MS, son couplage aux fermions devait être établi, ce qui motiva la recherche du Higgs dans le mode de désintégration en deux leptons taus ayant un rapport d'embranchement important. Dans ATLAS, cette analyse est divisée en trois canaux selon le mode de désintégration des leptons taus. Le travail présenté dans cette thèse concerne le canal “lepton-hadron”, où l'un des taus de l'état final se désintègre leptoniquement en un muon ou un electron, alors que l'autre se désintègre hadroniquement. Les canaux de l'analyse H→tau+ tau- sont caractérisés par de larges valeurs de l'énergie transverse manquante (MET) dans l'état final et adoptent la même technique pour identifier le lepton tau. Dans cette thèse, une contribution importante, mettant en relief l'amélioration obtenue avec une nouvelle MET, est montrée. En utilisant les traces chargées pour estimer la composante “molle” de MET dans les événements issus de collisions p-p, la sensibilité à l'empilement (pile-up), inévitable dans les collisionneurs hadroniques à haute luminosité, est bien réduite. Les erreurs systématiques associées à la composante molle ont été évaluées et leur dependence sur les conditions de pile-up et de modélisation de l'événement a été étudiée pour différentes définitions de MET. Ceci contribuera à améliorer les futures analyses H→tau+ tau-. Dans l'analyse “lepton-hadron”, le bruit de fond dominant provient des événements dont un jet de hadrons est mal identifié comme un tau se désintégrant hadroniquement (“fake tau”). Le travail discuté montre en détail l'estimation de ce bruit de fond pour les deux configurations les plus sensibles aux événements de signal H, i.e. les événements produits avec un Higgs bien boosté ou ceux produits par fusion de deux bosons vecteurs (mode VBF). L'état final de ces derniers est caractérisé par deux jets bien séparés en pseudorapidité, répartis sur les deux hemisphères, produits en association avec les produits de désintégration du H. Enfin, cette thèse rapporte une dernière contribution utilisant la théorie effective des champs pour la production du boson de Higgs et pour estimer les couplages de ce dernier (HEFT), et explorer la nouvelle physique au delà du MS de façon indépendante du modèle théorique. Le travail consiste à tester et valider le modèle “tauDecay” dans le cadre d'une caractérisation du Higgs utilisant HEFT au sein de Madgraph5_aMC@NLO. Après avoir écrit un outil permettant de fusionner les fichiers de production et de désintégration du Higgs (utile surtout en travaillant avec une précision au niveau NLO), la validation du modèle a été faite de 3 façons indépendantes: avec la génération d' événements au niveau d'éléments de matrice directement, avec l'outil créé et en désintégrant les taus avec MadSpin. Ce nouvel outil est prêt à être utilisé durant le Run-II du LHC. / In the LHC project, one of the major goals was the search for the last missing piece of the standard model (SM), namely the Higgs boson (H). The quest was successful during the Run I data taking in 2012 with the discovery of a new scalar of mass ~126 GeV, compatible with the SM Higgs boson, and decaying to two bosons (either two photons or two electroweak vector bosons ZZ or W+W-). To complete the picture, one needed to establish the couplings of the new particle to fermions. This motivated the search for the decay mode into two tau leptons predicted with a high branching ratio.Inside the ATLAS collaboration, the analysis was divided into three channels according to the decay modes of the tau pair. The work reported in this Ph.D describes the “ lepton-hadron ” analysis where one tau lepton decays leptonically into an electron or a muon and the other decays hadronically. Common features of all three analyses are the identification of the tau lepton and the presence of large missing transverse energy (MET) due to the escaping neutrinos from the tau decays. An important contribution reported in this dissertation concerns the improvement brought by a new MET determination. By using charged tracks to estimate the contribution of the soft energy component produced in the proton-proton collision, the sensitivity to the overlayed events (“ pile-up ”), unavoidable in a high luminosity hadron collider, is very much reduced. The systematic uncertainties associated to this soft component were estimated, their dependence on physics modeling and pile-up conditions studied for various track-based MET definitions. It will contribute to an improved H→tau+ tau- analysis with future data.In the lepton-hadron H analysis, the dominant background comes from events where a hadronic jet is misidentified as a hadronic tau (“ fake-tau ”). The work reports in detail how this fake-tau background has been estimated in the two most sensitive event configurations predicted for the H signal i.e. events where the H boson is highly boosted or produced by fusion of vector bosons (VBF); VBF events are characterized by two forward and backward jets in addition to the H decay products.Finally, the thesis reports on a last contribution performed with the Higgs Effective Field Theory (HEFT) to study the H couplings and probe new physics beyond SM in a model independent way. The work consisted in testing and validating the “TauDecay” model in association with the Higgs characterization framework in Madgraph5_aMC@NLO. After implementing a tool to merge H production and decay in a single step (especially useful with NLO requirements), the validation was done in three different ways: direct matrix element generation, with the implemented merging tool and using MadSpin to decay taus. The combined package is ready for use in the LHC Run II context.

This dissertation presents a search for dark matter particles produced in association with a Z boson in proton-proton collisions. The dataset consists of 139 fb^{-1} of collision events with centre-of-mass energy of 13 TeV, and was collected by the ATLAS detector from 2015-2018 at the Large Hadron Collider. Signal region events are required to contain a Z boson that decays leptonically to either e^+e^- or μ^+μ^-, and a significant amount of missing transverse momentum, which indicates the presence of undetected particles. Two types of dark matter models are studied: (1) simplified models with an s-channel axial-vector or vector mediator that couples to dark matter Dirac fermions, and (2) two-Higgs-doublet models with an additional pseudo-scalar that couples to dark matter Dirac fermions. The main Standard Model background sources are ZZ, WZ, non-resonant l^+l^-, and Z+jets processes, which are estimated using a combination of data and/or simulation. A new reweighting technique is developed for estimating the Z+jets background using γ+jets events in data; the resulting estimate significantly improves on the statistical and systematic errors compared to the estimate obtained from simulation. The observed data in the signal region are compared to Standard Model prediction using a transverse mass discriminant distribution. No significant excess in data is observed for the simplified models and two-Higgs-doublet models studied. A statistical analysis is performed and several exclusion limits are set on the parameters of the dark matter models. Results are compared to direct detection experiments, the CMS experiment, and other ATLAS searches. Prospects and improvements for future iterations of the search are also presented. / Graduate

Le détecteur ATLAS est une expérience généraliste de physique des particules situéeà un point de collision du LHC, au CERN. Le détecteur est complet et opérationneldepuis juin 2008. La mise en oeuvre du système calorimétrique a alors été possible,grâce notamment à l’étude de la variable "énergie transverse manquante". Cettevariable, indispensable aux mesures de précision du Modèle Standard et à larecherche de Nouvelle Physique, a ainsi pu être testée pour la première fois in situ. Ledétecteur était prêt et a montré de bonnes performances lors des premières collisionsdu LHC à la fin de l’année 2009, en particulier avec l’étude de données dites de biaisminimum. Avec les données de collisions, il a également été possible d’étudier desperformances des électrons, notamment leurs variables d’identification, et la compréhension de la matière avant le calorimètre.Les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse en 2010 ontpermis d’étudier les propriétés des bosons W produits lors de ces collisions. Aprèsseulement quelques mois de prise de données, l’on a pu observer et mesurer la section efficace de production de cette particule. L’enjeu principal de cette mesure aété l’estimation des erreurs systématiques dues à l’électron et à l’énergie transversemanquante. Avec toutes les données enregistrées en 2010, l’asymétrie de charge duboson W a également pu être mesurée. Cette mesure est importante pour ladétermination des fonctions de distribution de partons dans le proton, donnéesindispensables à la bonne compréhension des collisions hadroniques au LHC. / The ATLAS detector is a multi-purpose experiment located at one of the collisionpoints of the LHC, at CERN. The detector is complete and in the acquisition since June2008. I’ve been working since then on the commissioning of the calorimeter system, inparticular thanks to the study of the “missing transverse energy” variable. Thisvariable is essential for precision measurements of the Standard Model, and for thesearch of New Physics ; it was tested in situ for the first time. The detector are readyfor the first LHC collisions at the end of 2009, and showed good performances, inparticular in the study of minimum bias events. I also participated to the study of theelectron performances, more particularly working on the identification variables andon the material before the calorimeter.The first collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV allowed me to study theproperties of W bosons. I participated to the observation and to the measurement ofthe production cross-section of this particle, taking part in particular in theassessment of the uncertainties due to the missing transverse energy. With all thedata recorded in 2010, I took part in the measurement of the W boson chargeasymmetry. This measurement is important for the determination of the partondistribution functions of the proton, which are of utmost importance for theunderstanding of hadronic collisions at the LHC.

Cette thèse présente la recherche de nouvelle physique avec un état final contenant un seul photon et de l'énergie transverse manquante. On recherche la matière sombre (ou noire) et la signature de particules supersymétriques. L'analyse des données collectées par le détecteur ATLAS au LHC, issues de collisions proton-proton dont l'énergie dans le centre de masse est de 8 TeV, est faite avec une luminosité intégrée de 20.3fb−1. L'accord entre les données mesurées et les prédictions du modèle standard permet d'établir une limite sur la section effi- cace de production mesurable. Cette limite est observée à la valeur de 3.64 fb à 95% de niveau de confiance.Dans cette thèse, la limite expérimentale obtenue est également interprétée comme une limite dans l'espace des paramètres de deux nouveaux modèles.Le premier est basé sur une théorie des champs effective qui s'inspire des résultats du satellite Fermi-LAT. Dans ce modèle, les particules de matière sombre se couplent aux pho- tons par une interaction de contact. Les limites sur l'échelle de masse effective sont établies et dépendent d'un postulat sur les constantes de couplage. Elles contraignent l'espace des paramètres qui est compatible avec les résultats de Fermi-LAT.Le second est un modèle supersymétrique simplifié décrivant la production de paires de squarks se désintégrant en un quark et un neutralino. Dans ce cas, le photon est émis soit dans l'état initial soit dans l'état final. De plus, le spectre en masse est compressé, i.e. que la différence de masse entre les squarks et les neutralinos est supposée petite. Les limites sont établies sur la section efficace de production. Ces limites montrent une exclusion sur la masse des squarks jusqu'à 250 GeV dans la région la plus compressée de l'espace des paramètres. Le photon pouvant être émis par le squark intermédiaire, cet état final pourrait permettre de déterminer la charge du squark.Enfin, une étude préliminaire prospective à l'énergie de collision de 13 TeV a égale- ment été menée. Elle montre qu'avec 5fb−1 de données seulement, les limites peuvent être améliorées de 10%. / This thesis presents the search for new physics in the final state containing a single photon and missing transverse momentum. The analysis is performed on 20.3fb−1 of proton-proton collisions data at a center-of-mass energy of 8 TeV collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Given the good agreement of the data with the Standard Model pre- diction of such events, an upper limit to the visible cross section produced by new physics is derived. The observed limit at 95% confidence level is 3.64 fb.In this thesis, the results are also interpreted as limits in the parameter space of two new physics models. The first model is an effective field theory, inspired by Fermi-LAT results, in which dark matter particles couple to photons via a contact interaction vertex. Limits are set on the effective mass scale and depend on the postulated coupling constants. The limits set in this dark matter model provide an effective constraint in the parameter space of the theory compatible with the Fermi-LAT results. The second one is a simplified supersymmetric model describing squark pair production with their subsequent decay into a quark and a neutralino. The photon is emitted as initial or final state radiation and the spectrum is compressed, i.e. the mass difference between the squark and the neutralino is assumed to be small. Limits are set on the production cross-section; squark masses are excluded up to 250 GeV in the very compressed region. As the photon can be irradiated from the intermediate squark, this final state would eventually provide the possibility to probe the charge of the squark.A preliminary study has also been carried out to show the search sensitivity with 13 TeV data, which indicate that the limits presented in this thesis can already be improved by 10% with 5fb−1.