This work presents a study of the discovery potential for the neutral supersymmetric Higgs bosons h/A/H decaying to tau pairs with the ATLAS experiment at the LHC. The study is based on Monte Carlo samples which are scaled to state-of-the-art cross sections. The analyses are designed assuming an integrated luminosity of 30 1/fb and a center-of-mass energy of sqrt(s) = 14 TeV. The results are interpreted in the mmax h benchmark scenario. Two final states are analyzed: The dileptonic channel where the two tau leptons decay to electrons or muons and the lepton-hadron channel where one tau decays to an electron or muon and the other tau decays to hadrons. The study of the dilepton channel is based completely on the detailed ATLAS simulation, the analysis of the lepton-hadron channel is based on the fast simulation. The collinear approximation is used to reconstruct the Higgs boson mass and its performance is studied. Cuts are optimized in order to discriminate the signal from background and to maximize the discovery potential given a certain Higgs boson mass hypothesis. In the lepton-hadron channel the selection is split into two analyses depending on the number of identified b-jets. Procedures to estimate the dominant backgrounds from data are studied. The shape and normalization of the Z to tautau background are estimated from Z to leptonlepton control regions. The ttbar contributions to the signal regions are estimated from ttbar control regions. The individual analyses are combined and sensitivity predictions are made depending on the Higgs boson mass mA and the coupling parameter tanβ. The light neutral MSSM Higgs bosons with mA = 150 GeV can be discovered when at least tanbeta = 11 is realized in nature. The heavy neutral MSSM Higgs bosons with mA = 800 GeV can be discovered for tanbeta ≥ 44. However, due to the large width of the reconstructed Higgs boson mass and the mass degeneration, only the sum of at least two of the three Higgs boson signals will be visible.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:30Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-03Bitstream added on 2014-06-13T18:53:34Z : No. of bitstreams: 1 cardona_sah_me_ift.pdf: 677122 bytes, checksum: ef4eda2c094c5339bde81ff781b3d4cd (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A supersimetria é um tópico importante na física teórica atual. Em particular, tem-se dedicado grande esforço no estudo das extensões supersimétricas do Modelo Padrão (SM) desde a década de 80. A incorporação da supersimetria no SM resulta em uma grande quantidade de modelos. O modelo com o conteúdo mínimo de partículas assim como de interações é chamado o Modelo Mínimo Supersimétrico (MSSM). DEvido à supersimetria, todos os modelos supersimétricos apresentam diferenças com relação ao SM. A principal delas, além do conteúdo de partículas, está no setor de Higgs. Em particular, o setor de Higgs do modelo MSSM contem cinco graus de liberdade (cinco bósons de Higgs), diferentemente do SM, que contem apenas um bóson de Higgs. Outra diferença importante no caso do MSSM deve-se à mistura dos estados associados pela supersimetria aos bósons de Gauge e aos bósons de Higgs, chamados gauginos e higgsinos respectivamente, cujos autoestados de massa são conhecidos como charginos e neutralinos. Estas partículas desempenham um papel fundamental na possível descoberta da supersimetria na escala de energia de TeV's. / Supersymmetry is a fundamental topic in the actual theoretical physics. In particular, since the 80's, huge efforts have been done studying the supersymmetric extensions of the Standard Model (SM). Including supersymmetry in the SM generates a great amount of models. Among all of these, there is one that involves the minimum number of particles and interactions. This model is known as the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Due to the incorporation of supersymmetry, all the extensions have differences in relation with the SM. The most remarkable one, beyond the particles content, lies in the Higgs sector. Particularly, in the MSSM Higg's sector there are five degrees of freedom (five Higgs bosons), in contrast with the SM (just one). Another difference is related wit the higgsino and gaugino mixture. This result in the presence of mass eigenstates known as charginos and neutralinos. The later particles play a fundamental role in the possible test of supersymmetry at the TeV's scales.

Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik eines der erfolgreichsten physikalischen Theorien der modernen Geschichte ist, wurden schon früh viele theoretische Erweiterung entwickelt, welche versuchen, die offenen Fragen des Standardmodells zu lösen. So bietet das Standardmodell keine Erklärung für die Existenz der dunklen Materie oder eine vereinheitlichte Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen an. Viele der Modelle erweitern das Standardmodell mit zusätzlichen Symmetrien wie zum Beispiel der Supersymmetrie. Die einfachste supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells ist das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM). Diese Modelle sagen die Existenz eines zweiten Higgs-Dublette Feldes voraus, welches die Präsenz zusätzliche Higgs-Bosonen zur Folge hätte. Daher ist die Suche nach zusätzlichen Higgs-Bosonen ein wichtiges Fenster zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. In dieser Arbeit wird die Suche nach zusätzlichen, schweren und neutralen A und H Higgs-Bosonen im voll-hadronischen di-Tau Zerfallskanal präsentiert. Die Suche basiert auf dem vollständigen LHC Run-2 Datensatz, aufgezeichnet vom ATLAS Detektor in der Zeit von 2015 bis 2018. Die aufgezeichneten Daten entsprechen einer intrigierten Luminosität von 139 fb^−1 . Da kein signifikanter Überschuss an Daten im Verhältnis zur Untergrundabschätzung beobachtet wurde, werden die Resultate der Suche in Form von Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt mal dem Verzweigungsverhältnis für Higgs-Bosonen mit Massen zwischen 200 GeV und 2500 GeV, welche via Gluon-Gluon-Fusion oder b-assoziierter Produktion generiert wurden, angegeben. Die Ausschlussgrenzen werden berechnet mit einem Vertrauensniveau von 95 %. Die Resultate des voll-hadronischen Zerfallskanals werden kombiniert mit denen des semi-leptonischen Zerfallskanals und anschließend in den m_A-tanβ Parameterraum des hMSSM Modells als auch weiterer mh125 Modellvarianten transformiert. Die kombinierten Ausschlussgrenzen im Parameterraum des hMSSM Modells werden mit jener vorherigen Analysen publiziert durch die ATLAS und CMS Kollaboration verglichen, welche auf einem vorläufigen Run-2 Datensatz basieren. Im Verhältnis zu den vorherigen Resultaten von ATLAS (CMS) wurde eine signifikante Verbesserung von 10 % (11 %) für m A = 500 GeV bis hin zu 63 % (67 %) für m_A = 1200 GeV beobachtet. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiger Algorithmus, basierend auf moderner rekurrenten neuronalen Netzen vorgestellt, welcher Spuren im inneren Detektor des ATLAS Experiments hadronisch zerfallenden Tauonen zuordnen kann. Die Zuordnung der Spuren zu Tauonenzerfällen ist ein integraler Bestandteil der Rekonstruktion hadronisch zerfallender Tau-Leptonen bei ATLAS und liefert wichtige Informationen über dessen Ladung und Zerfallsmultiplizität. Durch Verwendung neuronaler Netze kann ein erheblicher Zuwachs in der Rekonstruktionseffizienz von 10 % und 20 % für hadronische Tauonzerfälle mit einer Zerfallsmultiplizität von 1 und 3 erreicht werden. Aufgrund dieser Verbesserungen erreicht der neue Algorithmus eine Rekonstruktionseffizienz nahe der maximal möglichen Effizienz. Zusätzlich ist es möglich, durch Ausnutzen der inhärenten Flexibilität neuronaler Netze das Training so zu verändern, dass die Netze unterschiedliches verhalten auf QCD Untergrund aufweisen. Es werden zwei Trainingskonfigurationen beschrieben, welche für die offline Datenanalyse oder die Anwendung in Trigger-Entscheidungen optimiert wurden. / Although the Standard Model of particle physics is one of the most successful and well-tested theories in physics, many extensions to the Standard Model were proposed that aim to resolve its shortcomings. Many of these models extend the Standard Model by adding additional symmetries such as Supersymmetry with one of the simplest being the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). Supersymmetric models also require the presence of a second Higgs-doublet field which predicts the existence of additional Higgs bosons. Hence, the search for these additional Higgs bosons provides an important window into investigating physics beyond the Standard Model. In this thesis, the search for additional heavy neutral Higgs bosons A and H decaying into a fully hadronic tau lepton pair is presented based on 139 fb^−1 of data taken by the ATLAS detector during the full LHC Run-2 data taking period from 2015 to 2018. Since no significant excess of data with respect to the background estimation was found, the results are presented in terms of 95 % CL upper exclusion limits on the cross-section times branching ratio for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion and b-associated production. Different Higgs boson mass hypotheses are taken into account ranging from 200 GeV to 2500 GeV. A combination with the semi-leptonic search channel is performed whose exclusion limits are transformed into the m_A-tanβ parameter space of the hMSSM and various mh125 benchmark model scenarios. The combined exclusion limit set in the hMSSM model is compared to the previous publications by the ATLAS and CMS collaboration based on early Run-2 data of 36.1 fb^−1 and 35.9 fb^−1 respectively. Compared to previous exclusion limits set by ATLAS (CMS) for the hMSSM scenario, significant improvements are observed ranging between 11 % (10 %) at m_A = 500 GeV up to 63 % (67 %) at m_A = 1200 GeV. In addition to the Higgs boson search, a novel algorithm is presented to identify and select charged particle tracks reconstructed in the ATLAS inner detector originating from hadronic tau lepton decays. The identification of these tracks is an important part of the tau lepton reconstruction and identification at ATLAS and provides information about the decay multiplicity and charge of the tau lepton. By deploying state-of-the-art recurrent neural networks the reconstruction efficiency for tau leptons with a true decay multiplicity of 1 and 3 charged hadrons improves by about 10 % and 20 % respectively. With this improvement, the neural networks achieve a reconstruction efficiency close to the maximum efficiency possible. By exploiting the flexibility of the neural networks, they can be optimized for both offline data analysis and fast software trigger applications.

There are experimental and theoretical indications that the Standard Model of particle physics, although tremendously successful, is not sufficient to describe the universe, even at energies well below the Planck scale. One of the most promising new theories to resolve major open questions, the Minimal Supersymmetric Standard Model, predicts additional neutral and charged Higgs bosons, among other new particles. For the search of the new heavy neutral bosons, the decay into two hadronically decaying tau leptons is especially interesting, as in large parts of the search parameter space it has the second largest branching ratio while allowing for a considerably better background rejection than the leading decay into b-quark pairs. This search, based on proton-proton collisions recorded at sqrt(s) = 13 TeV in 2015 and early 2016 by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider at CERN, is presented in this thesis. No significant deviation from the Standard Model expectation is observed and CLs exclusion limits are determined, both model-independent and in various MSSM benchmark scenarios. The MSSM exclusion limits are significantly stronger compared to previous searches, due to the increased collision energy and improvements of the event selection and background estimation techniques. The upper limit on tan beta at 95% confidence level in the mhmod+ MSSM benchmark scenario ranges from 10 at mA = 300 GeV to 48 at mA = 1.2 TeV.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Suche nach dem skalaren Top Quark (stop) und dem skalaren Bottom Quark (sbottom) innerhalb des Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) unter der Annahme der R-Paritätserhaltung. Suchen nach den folgenden Zerfallsmoden des Stop-Quark wurden durchgeführt: stop -> c neutralino_1, stop -> b l sneutrino (wobei l mit gleichen Wahrscheinlichkeiten entweder electron, muon oder tau-lepton ist) und stop -> b tau sneutrino (nur das Tau-Lepton wird berücksichtigt). Zusätzlich wurde der Dreikörperzerfall stop -> b W neutralino_1 im erlaubten Massenbereich M_stop > M_b + M_W + M_neutralino1 >= 86 GeV gesucht. Für das Sbottom-Quark wurde der Zerfall sbottom -> b neutralino_1 studiert. Jede dieser Zerfallsmoden wurde voneinander unabhängig unter der Annahme eines 100 %-igen Verzweigungsverhältnisses untersucht. Für diese Suche wurden Daten aus electron-positron-Kollisionen bei Schwerpunktsenergien im Bereich von 202-208 GeV benutzt. Die Daten wurden im Jahr 2000 von dem L3 Detektor am Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN aufgenommen. Ferner wurden die Resultate der Datenanalyse aus dem Jahr 2000 mit Resultaten der Squark-Suche kombiniert, die die L3 Kollaboration in vorhergehenden Jahren bei Schwerpunktsenergien von 161 bis 202 GeV durchgeführt hat. Die untersuchten Squark Zerfallskanäle bestimmen die Topologie der für uns interessanten Ereignisse: 2 Jets (oder b-Jets) + fehlende Energie (+ 2 Leptonen für die Stop-Dreikörperzerfälle). Die stop -> b W neutralino_1 Zerfallstopologie hängt signifikant von den weiteren Zerfällen des W-Bosons ab und kann bis zu 6 Jets im Endzustand haben. Die Annahme der R-Paritätserhaltung impliziert die Stabilität des leichtesten supersymmetrischen Teilchens (des LSP), das das leichteste Neutralino ist. Das LSP wechselwirkt nur schwach und entweicht deswegen unentdeckt. Ein besonderes Merkmal der Signal-Ereignisse ist somit eine erhebliche Menge fehlender Energie. Die sichtbare Energie ist in etwa proportional zu der Massendifferenz zwischen dem Squark und dem LSP. Weil die Standardmodell-Untergrundzusammensetzung vom Anteil der sichtbaren Energie abhängt, hängt die Analyse auch vom Wert von der Massendifferenz ab. Abhängig von der Menge fehlender Energie kann der Standardmodell-Untergrund in drei Kategorien eingeteilt werden: - die zwei-Fermion-Prozesse sind e e -> e e, e e -> mu mu, e e -> tau tau und e e -> e e q q; - die vier-Fermion-Kategorie besteht aus e e -> W W, e e -> W e nu, e e -> Z Z und e e -> Z e e Prozessen; - die zwei-Photon-Untergrundprozesse sind e e -> e e e e, e e -> e e mu mu, e e -> e e tau tau und e e -> e e q q. Der letzte Prozess, e e -> e e q q, trägt den grössten Anteil zu den SM-Untergrundprozessen bei (wegen sehr hohem und stark schwankendem E_miss und dem grössten Wirkungsquerschnitt). Im ersten Schritt der Analyse wurden Events mit der gewünschten Topologie (2 Jets und hohes E_miss) vorselektiert. Die Selektion von Stop- und Sbottom-Ereignissen wurde durch die Minimierung der mit 95 % Confidence Level (C.L.) erwarteten oberen Grenze des Squark-Wirkungsquerschnitts - berechnet aus MC-Vorhersagen - optimiert, wobei der kleine theoretisch vorhergesagte Produktionswirkungsquerschnitt des Squarks berücksichtigt wurde. In allen für den jeweiligen Squark Zerfallskanal optimierten Selektionen stimmt die Anzahl von Daten Events mit der erwarteten Anzahl von Standardmodellprozessen überein: - für den stop -> c neutralino_1 Zerfall wurden 29 Daten-Events beobachtet, wobei 26.5 +- 2.7 Events von den SM-Prozessen erwartet wurden; - für den Dreikörperzerfall stop -> b l sneutrino, wurden 4 Daten-Events selektiert bei einer Standardmodell-Erwartung von 4.0 +- 1.0 Events; - für den Zerfall stop -> b tau sneutrino sind die Daten- und SM-Eventzahlen 5 bzw. 3.9 +- 1.0; - in der Selektion für stop -> b W neutralino_1, wurden 184 Daten Events beobachtet und 181.6 +- 3.0 Events wurden vom Standardmodell vorhergesagt; - für den Bottom Squark Zerfall sbottom -> b neutralino_1 entsprachen die beobachteten 6 Events der SM-Erwartung von 7.7 +- 1.3 Events. Es wurden keine MSSM-Skalar-Quarks in den Daten des Experiments beobachtet und das Resultat der Suche ist negativ. Die modellunabhängige 95 % C.L. obere Grenze für den Squark-Produktionswirkungsquerschnitt wurde aus der gemessenen Anzahl von Daten-Events und der aus dem Standardmodell erwarteten Eventanzahl berechnet. Für die Berechnung der oberen Grenzen der Produktionswirkungsquerschnitte wurden die Resultate der Squark-Suchen aus den L3-Daten bei Schwerpunktsenergien von c.m.s. Energie 202 - 208 GeV mit den Resultaten aus vorherigen Suchen der L3-Kollaboration bei 161 GeV - 202 GeV kombiniert. Eine neue Methode wurde entwickelt, um die kombinierten Grenzen zu berechnen. Die Methode berücksichtigt die statistische Unabhängigkeit jeder Messung und die Abhängigkeit des Squark-Produktionswirkungsquerschnittes von der Schwerpunktsenergie. In der Berechnung wurde den systematischen Unsicherheiten in der Standardmodell-Untergrundabschätzung und der Signal-Selektionseffizienz Rechnung getragen. Für die hier betrachteten Squark-Zerfälle werden typisch folgende oberen Grenzen mit 95 % C.L. für den Squark Produktionswirkungsquerschnitt erhalten: ~ 0.05-0.2 pb (für stop) und ~ 0.05-0.1 pb (für sbottom). Bei den Suchen nach dem Stop-Dreikörperzerfall stop -> b W neutralino_1 wurden die Produktionswirkungsquerschnitte über 0.7-1.0 pb mit 95 % C.L. ausgeschlossen. Innerhalb des Minimal Supersymmetrischen Standard Modells mit R-Paritätserhaltung wurden die unabhängigen Wirkungsquerschnittsgrenzen für den Ausschluss von MSSM Parametern benutzt, insbesondere für die Stop- und Sbottom-Massen. Die Squark-Massen wurden für jeden betrachteten Zerfallskanal in zwei möglichen Szenarien ausgeschlossen: für den maximalen und den (näherungsweise) minimalen theoretischen Wirkungsquerschnitt. Der erste Fall korrespondiert zur maximalen Mischung zwischen den links- und rechtshändigen Squark-Eigenzuständen, $\cos\theta_{LR}$ = 1; der zweite Fall ist definiert durch den Wert von $\cos\theta_{LR}$, bei dem die Squarks vom $Z^0$ Boson entkoppeln. Abhängig vom Wert $\Delta M$ wurden die Squark Massen mit 95 % C.L. bis zu den folgenden Werten ausgeschlossen: - für stop -> c neutralino_1: M_stop < 90-93 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 95-96 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für stop -> b l sneutrino: M_stop < 87-89 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 90-91 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für stop -> b tau sneutrino: M_stop < 83-88 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 88-91 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), - für sbottom -> b neutralino_1: M_stop < 76-83 GeV (min. Wirkungsquerschnitt), M_stop < 94-97 GeV (max. Wirkungsquerschnitt), In beiden Fällen werden die experimentell beobachteten 95 % C.L. Massen Ausschlussgrenzen mit den aus Monte Carlo Simulationen ohne SUSY Teilchen erwarteten verglichen. Die experimentallen Ausschlussgrenzen Sind verträglich mit den erwarteten. Die mit 95 % C.L. erhaltene obere Grenze für den Stop-Produktionquerschnitt ist im Zerfall stop -> b W neutralino_1 grösser als die zugehörige theoretische Vorhersage. Der Ausschluss mit 95 % C.L. auf Massen war mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz aus diesen Grund nicht möglich. Unter der Annahme, dass die Zerfallstopologie der skalaren Quarks der ersten zwei Generationen ähnlich dem Zweikörperzerfall des Stop ist, wurden die Resultate der Suche nach dem Zerfall stop -> c neutralino_1 auch für die Berechnung der Massenausschlussgrenzen für die Squarks der ersten beiden Familien benutzt. Zwei Möglichkeiten wurden hier in Erwägung gezogen: die Massenentartung zwischen vier (scalar u, d, c, s) und fünf (sbottom zusätzlich) Squarks. Die Ausschlussgrenzen mit 95 % C.L. auf die massenentarteten skalaren Quarks in den Fällen der "nur-rechts" oder "links-und-rechts" Eigenzustände sind die folgenden: - für die Massenentartung zwischen vier Squarks: M_squark < 95-96 GeV ("nur-rechts"), M_squark < 99-100 GeV ("links-und-rechts"); - für die Massenentartung zwischen fünf Squarks: M_squark < 96-97 GeV ("nur-rechts"), M_squark < 99-101 GeV ("links-und-rechts"); Mit der Annahme der Gaugino-Vereinigung an der GUT-Skala im MSSM wurden die Grenzen für die vierfach massenentarteten Squarks erneut in der Squark-Gluino Ebene interpretiert. Ferner wurde das absolute Limit auf den MSSM-Parameter M_2, der für tan(beta) = 4 aus anderen L3-SUSY-Suchen (für Chargino, Neutralino und skalare Leptonen) ermittelt worden ist, in ein Gluino-Massenlimit übersetzt. Die mit 95 % C.L. erhaltenen Ausschlussgrenzen in der Squark-Gluino Massenebene sind - M_gluino > 267-314 GeV, - M_squark > 99-100 GeV. / This thesis is devoted to searches for the scalar top and the scalar bottom quarks within the framework of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) with the assumption of R-parity conservation. Searches for the following decay modes of the stop quark have been performed: stop -> c neutralino_1, stop -> b l sneutrino, (where l is either electron, muon or tau-lepton with equal probabilities) and stop -> b tau sneutrino (where only the tau-lepton is considered). In addition, a three body decay stop -> b W neutralino_1 has been searched for in the allowed mass region of M_stop > M_b + M_W + M_neutralino1 >= 86 GeV. For the sbottom quark the decay sbottom -> b neutralino_1 was considered. Each of these decay modes was considered independently assuming a branching ratio of 100 %. For this search, the experimental data of electron-positron collisions at center-of-mass energies (c.m.s.) in the range of 202-208 GeV have been used. These data were collected in the year 2000 by the L3 detector at the Large Electron Positron Collider (LEP) at CERN. The results of the year 2000 data analysis were also combined with results of the squark searches performed by the L3 Collaboration in previous years at center-of-mass energies from 161 up to 202 GeV. The analyzed squark decay channels determine the topology of the events of our interest: 2 jets (or b-jets) + missing energy (+ 2 leptons for stop three body decays). The stop -> b W neutralino_1 decay topology depends significantly on the further decay of the W boson and can have up to 6 jets in the final state. The assumed conservation of R-parity implies stability of the lightest supersymmetric particle (the LSP), which is the lightest neutralino. The LSP interacts only weakly and thus escapes undetected. This leads to a large missing energy as a feature of the signal events. The visible energy is roughly proportional to the difference between the masses of the squark and the LSP, and since the Standard Model background composition depends on the visible energy fraction, the whole analysis depends also on the value of this mass difference. Depending on the magnitude of visible energy, the Standard Model background can be grouped into three categories: - the two-fermion processes are e e -> e e, e e -> mu mu, e e -> tau tau and e e -> q q; - the four-fermion category is composed of e e -> W W, e e -> W e nu, e e -> Z Z and e e -> Z e e processes; - the two-photon background processes are e e -> e e e e, e e -> e e mu mu, e e -> e e tau tau and e e -> e e q q. The last process, e e -> e e q q, constitutes the largest fraction of all SM background processes (due to very high and highly fluctuating missing energy and the highest cross section). At the very first step of the analysis, only the events of interesting topology (with 2 jets and high missing energy) were preselected. Then, taking into account the small value of the theoretically predicted production cross section of the scalar quarks, the selection of stop and sbottom events was optimized by minimization of the 95 % confidence level expected upper limit on the squark cross section using calculated Monte Carlo events. In all selections optimized for each particular squark decay channel, the number of selected data events statistically agrees with the number of events expected from the Standard Model processes: - for stop -> c neutralino_1 decay, 29 data evens were observed, while 26.5 +- 2.7 were expected from the SM processes; - for the three body decay stop -> b l sneutrino, 4 data events were selected and the expectation from the Standard Model is 4.0 +- 1.0 events; - for the decay stop -> b tau sneutrino, the data and SM event numbers are 5 and 3.9 +- 1.0, respectively; - in the selection for stop -> b W neutralino_1, 184 data events were observed and 181.6 +- 3.0 were expected from the Standard Model; - for the bottom squark decay sbottom -> b neutralino_1 the observed 6 events correspond to the SM expectation of 7.7 +- 1.3. Thus, the MSSM scalar quarks were not observed in the experimental data and the search results are negative. The model independent 95 % C.L. upper limits on the squark production cross section have been derived from the numbers of the observed data events and numbers of events expected from the Standard Model. For calculation of the upper cross section limits, the results of the squark searches performed in the L3 data of c.m.s. energy 202 - 208 GeV were combined with results of searches performed by the L3 Collaboration previously in the data of c.m.s. energy from 161 up to 202 GeV. A new method has been developed for calculating such combined limits. This method takes into account the statistical independence of each measurement and the dependency of the squark production cross section on the center-of-mass energy. In this calculation, the systematic uncertainties in the Standard Model background estimation and in the signal selection efficiency have been also accounted for. For the considered squark decays, the typical obtained 95 % C.L. upper limits on the squark production cross section are: ~ 0.05-0.2 pb (for stop) and ~ 0.05-0.1 pb (for sbottom). In the searches for the stop three body decay stop -> b W neutralino_1, the cross sections above 0.7-1.0 pb have been excluded at 95 % C.L. Within the framework of MSSM with conserved R-parity, the experimental model independent cross section limits have been used for exclusion of the MSSM model parameters, in particular, exclusion of the stop and the sbottom masses. For each considered decay channel, the squark masses have been excluded in two possible scenarios: for the maximal and for the (approximately) minimal theoretical cross section. The first case corresponds to the maximal mixing between the left and right squark eigenstates, cos(theta) = 1; the second case is defined by the cos(theta) value, where squarks decouple from the Z boson. Depending on the mass difference between squark and the LSP, the squark masses have been excluded at 95 % C.L. up to the following values: - for stop -> c neutralino_1: M_stop < 90-93 GeV for minimal cross section, M_stop < 95-96 GeV for maximal cross section; - for stop -> b l sneutrino: M_stop < 87-89 GeV for minimal cross section, M_stop < 90-91 GeV for maximal cross section; - for stop -> b tau sneutrino: M_stop < 83-88 GeV for minimal cross section, M_stop < 88-91 GeV for maximal cross section; - for sbottom -> b neutralino_1: M_stop < 76-83 GeV for minimal cross section, M_stop < 94-97 GeV for maximal cross section. For both cases, the experimentally observed 95 \% C.L. mass exclusions are compared to the expected ones, which have been obtained from the Monte-Carlo assuming no SUSY particles. The observed exclusions of the squark masses are at the same level as the expected ones. The obtained 95 % C.L. upper limits on the stop production cross section in the decay stop -> b W neutralino_1 are bigger than the corresponding theoretical predictions, so, the exclusion of masses at 95 % C.L. was not possible with the available data sample. Assuming the topology of decays of the scalar quarks of the first two generations to be similar to the two body decay of the stop, the results of the searches for the decay stop -> c neutralino_1 have been also used for calculation of the mass exclusion limits for the squarks of the first two families. Two possibilities were considered here: the mass degeneracy between four (scalar u, d, c, s) and five (scalar b in addition) squarks. The 95 % C.L. exclusion limits on the mass degenerate scalar quarks for the cases of the "right-only" or "left-and-right" eigenstates are the following: - for the mass degeneration between 4 squarks: M_squark < 95-96 GeV ("right-only"), M_squark < 99-100 GeV ("left-and-right"); - for the mass degeneration between 5 squarks: M_squark < 96-97 GeV ("right-only"), M_squark < 99-101 GeV ("left-and-right"). Using the MSSM assumption about gaugino unification at the GUT scale, the limits on the four mass degenerate squarks have been reinterpreted on the squark-gluino mass plane. Moreover, the absolute limit on the MSSM parameter M_2, obtained for tan(beta) = 4 from other L3 SUSY searches (for chargino, neutralino and scalar leptons), has been translated into a gluino mass limit. The obtained 95 % C.L. exclusions in the squark-gluino mass plane are - M_gluino > 267-314 GeV, - M_squark > 99-100 GeV.

This thesis presents a Monte Carlo study of neutral Higgs bosons of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) decaying into muons at the Atlas experiment at the CERN Large Hadron Collider. Signal and background processes are simulated using novel Monte Carlo generators that incorporate parts of higher order corrections and are expected to give a more accurate prediction than previous programs. The SHERPA Monte Carlo generator is validated for its use in the analysis and compared to results obtained with other programs. Where possible, the Monte Carlo event samples are normalized to higher order calculations. To increase the available Monte Carlo statistics, this study is based on the ATLAS fast detector simulation ATLFAST. Differences between ATLFAST and the detailed detector simulation of ATLAS are examined, and, where possible, correction procedures are devised. A cut based analysis is performed assuming an integrated luminosity of 30 inverse femtobarns, and optimized with respect to the discovery potential for MSSM Higgs bosons. The systematic uncertainties of the event selection and the Monte Carlo predictions are estimated. A method that can be used to estimate the background from data is presented and evaluated. Last, the discovery potential of the \Atlas experiment in the CP conserving benchmark scenarios of the MSSM is evaluated. One or more of the neutral Higgs bosons of the MSSM can be discovered in the muonic decay mode using 30 inverse femtobarns of data for low masses of the pseudoscalar boson A, if the model parameter tan(beta) is at least 20. For higher masses of the A, tan(beta) would need to be significantly higher to ensure a discovery in the studied decay channel. The sensitivity of ATLAS to MSSM Higgs bosons is multiple times larger than the one of previous and currently running experiments. / Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Monte Carlo Studie zu neutralen Higgs-Bosonen des Minimal Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) im myonischen Zerfallskanal am Atlas Experiment am Large Hadron Collider des CERN. Signal- und Untergrundprozesse werden mit neuartigen Monte Carlo Ereignisgeneratoren simuliert, die Teile der Korrekturen höherer Ordnung beinhalten, und von denen eine verbesserte Vorhersage erwartet wird im Vergleich zu herkömmlichen Programmen. Der SHERPA Monte Carlo Ereignisgenerator wird auf seine Brauchbarkeit für die Analyse überprüft und mit Ergebnissen anderer Programme verglichen. Sofern möglich werden die erstellten Monte Carlo Datensätze mittels Rechnungen zu höheren Ordnungen normiert. Um eine hinreichend große Statistik von simulierten Daten zu erhalten, wird die schnelle Detektorsimulation des ATLAS Detektors ATLFAST verwendet. Unterschiede zwischen der vollständigen Detektorsimulation und ATLFAST werden untersucht, und sofern möglich, Korrekturverfahren entwickelt. Eine schnittbasierte Analyse wird durchgeführt unter der Annahme einer integrierten Luminosität von 30 inversen femtobarn und optimiert mit Hinblick auf das Entdeckungspotenzial für MSSM Higgs-Bosonen. Die systematischen Unsicherheiten der Ereignisauswahl und der Monte Carlo-Vorhersagen werden abgeschätzt. Eine Methode zur Messung des Untergrundes in Daten wird vorgestellt und überprüft. Schliesslich wird das Entdeckungspotenzial des ATLAS Experiments in Vergleichspunkten für CP erhaltende Szenarien des MSSM ermittelt. F\ür niedrige Massen des pseudoskalaren Higgs-Bosons A kann mindestens eines der neutralen Higgs-Bosonen des MSSM im myonischen Zerfallskanal entdeckt werden, sofern der Modellparameter tan(beta) mindestens 20 ist. Für hohe Massen des A muss ein wesentlich größeres tan(beta) in der Natur realisiert sein, um eine Entdeckung im untersuchten Zerfallskanal zu ermöglichen. Die Sensitivität von ATLAS auf Higgs-Bosonen des MSSM ist um ein Vielfaches höher als diejenige bisheriger oder momentan laufender Experimente.

A search for the neutral Higgs bosons predicted by the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) is presented. The analysis is performed on data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of sqrt{s}=8 TeV at the Large Hadron Collider recorded by the ATLAS detector. The data were collected in 2012, correspond to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 and represent the full 8 TeV dataset. This search is performed in the tau-tau final state, with one tau lepton decaying leptonically and the other hadronically. The analysis is optimized in three categories, addressing low-mass Higgs bosons which are accompanied by a bottom quark induced jet or not and high-mass Higgs bosons. No deviations from Standard Model predictions are observed, and therefore no evidences of new Higgs bosons are found. Exclusion limits are set on the cross-section times branching fraction of the Higgs bosons and for parameters m_A and tan{beta} of MSSM benchmark scenarios. / In dieser Arbeit wird die Suche nach neutralen Higgs-Bosonen im Rahmen des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) vorgestellt. Die Analyse basiert auf dem kompletten Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen des Large Hadron Colliders, LHC, die mit dem ATLAS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=8 TeV im Jahr 2012 aufgenommen wurden. Die Daten entsprechen einer Luminosität 20.3 fb-1. Die Suche fokussiert auf den Tau-Tau Endzustand, wobei ein Tau-Lepton hadronisch zerfällt und das andere leptonisch, entweder in ein Elektron oder in ein Muon. Die Analyse wurde in drei Kategorien optimiert, um sowohl für Higgs-Bosonen im niedrigen Massenbereich von 90-200 GeV als auch im hohen Massenbereich von 200 GeV bis 1 TeV sensitiv zu sein. Der niedrige Massenbereich wurde dabei in zwei Unterkategorien geteilt, entsprechend der Anwesenheit bzw. Abwesenheit von zusätzlichen, durch b-Quarks induzierten Jets, um die Empfindlichkeit für spezielle Higgs-Boson-Produktionsmodi zu erhöhen. Im Rahmen dieser Analyse wurden keine Hinweise auf neue Higgs-Bosonen gefunden und daher Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt x Verzweigungsverhältnis gesetzt. Ebenfalls wurden die Resultate in MSSM-Benchmark-Szenarien interpretiert.

The search for additional heavy neutral Higgs bosons predicted in Minimal Supersymmetric Extensions of the Standard Model is presented, using the direct decay channel into two tau leptons which themselves decay hadronically. The study is based on proton-proton collisions recorded in 2011 at a center-of-mass energy of 7 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. With a sample size corresponding to an integrated luminosity of 4.5 fb−1, no significant excess above the expected Standard Model background prediction is observed and CLs exclusion limits at a 95% confidence level are evaluated for values of the CP-odd Higgs boson mass mA between 140 GeV to 800 GeV within the context of the mhmax and mhmod± benchmark scenarios. The results are combined with searches for neutral Higgs bosons performed using proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 8 TeV recorded with the ATLAS detector in 2012, with a corresponding integrated luminosity of 19.5 fb−1. The combination allowed an improvement of the exclusion limit at the order of 1 to 3 units in tan β. Within the context of this study, the structure of additional interactions during a single proton-proton collision (the “underlying event”) in di-jet final states is analyzed using collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV recorded with the ATLAS detector in 2010, with a corresponding integrated luminosity of 37 pb−1. The contribution of the underlying event is measured up to an energy scale of 800 GeV and compared to the predictions of various models. For several models, significant deviations compared to the measurements are found and the results are provided for the optimization of simulation algorithms.

A search for the neutral Higgs bosons predicted by the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) is presented. The analysis is performed on data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of sqrt{s}=8 TeV at the Large Hadron Collider recorded by the ATLAS detector. The data were collected in 2012, correspond to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 and represent the full 8 TeV dataset. This search is performed in the tau-tau final state, with one tau lepton decaying leptonically and the other hadronically. The analysis is optimized in three categories, addressing low-mass Higgs bosons which are accompanied by a bottom quark induced jet or not and high-mass Higgs bosons. No deviations from Standard Model predictions are observed, and therefore no evidences of new Higgs bosons are found. Exclusion limits are set on the cross-section times branching fraction of the Higgs bosons and for parameters m_A and tan{beta} of MSSM benchmark scenarios. / In dieser Arbeit wird die Suche nach neutralen Higgs-Bosonen im Rahmen des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) vorgestellt. Die Analyse basiert auf dem kompletten Datensatz von Proton-Proton-Kollisionen des Large Hadron Colliders, LHC, die mit dem ATLAS-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=8 TeV im Jahr 2012 aufgenommen wurden. Die Daten entsprechen einer Luminosität 20.3 fb-1. Die Suche fokussiert auf den Tau-Tau Endzustand, wobei ein Tau-Lepton hadronisch zerfällt und das andere leptonisch, entweder in ein Elektron oder in ein Muon. Die Analyse wurde in drei Kategorien optimiert, um sowohl für Higgs-Bosonen im niedrigen Massenbereich von 90-200 GeV als auch im hohen Massenbereich von 200 GeV bis 1 TeV sensitiv zu sein. Der niedrige Massenbereich wurde dabei in zwei Unterkategorien geteilt, entsprechend der Anwesenheit bzw. Abwesenheit von zusätzlichen, durch b-Quarks induzierten Jets, um die Empfindlichkeit für spezielle Higgs-Boson-Produktionsmodi zu erhöhen. Im Rahmen dieser Analyse wurden keine Hinweise auf neue Higgs-Bosonen gefunden und daher Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt x Verzweigungsverhältnis gesetzt. Ebenfalls wurden die Resultate in MSSM-Benchmark-Szenarien interpretiert.

This work presents a study of the discovery potential for the neutral supersymmetric Higgs bosons h/A/H decaying to tau pairs with the ATLAS experiment at the LHC. The study is based on Monte Carlo samples which are scaled to state-of-the-art cross sections. The analyses are designed assuming an integrated luminosity of 30 1/fb and a center-of-mass energy of sqrt(s) = 14 TeV. The results are interpreted in the mmax h benchmark scenario. Two final states are analyzed: The dileptonic channel where the two tau leptons decay to electrons or muons and the lepton-hadron channel where one tau decays to an electron or muon and the other tau decays to hadrons. The study of the dilepton channel is based completely on the detailed ATLAS simulation, the analysis of the lepton-hadron channel is based on the fast simulation. The collinear approximation is used to reconstruct the Higgs boson mass and its performance is studied. Cuts are optimized in order to discriminate the signal from background and to maximize the discovery potential given a certain Higgs boson mass hypothesis. In the lepton-hadron channel the selection is split into two analyses depending on the number of identified b-jets. Procedures to estimate the dominant backgrounds from data are studied. The shape and normalization of the Z to tautau background are estimated from Z to leptonlepton control regions. The ttbar contributions to the signal regions are estimated from ttbar control regions. The individual analyses are combined and sensitivity predictions are made depending on the Higgs boson mass mA and the coupling parameter tanβ. The light neutral MSSM Higgs bosons with mA = 150 GeV can be discovered when at least tanbeta = 11 is realized in nature. The heavy neutral MSSM Higgs bosons with mA = 800 GeV can be discovered for tanbeta ≥ 44. However, due to the large width of the reconstructed Higgs boson mass and the mass degeneration, only the sum of at least two of the three Higgs boson signals will be visible.