Many theories of physics beyond the Standard Model predict the existence of TeV-scale resonances that decay to top quark pairs. This thesis presents a search for such resonances produced in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV at the CERN Large Hadron Collider with 4.7 fb−1 of data collected by the ATLAS detector in 2011. The search is performed in the channel where both top quarks decay hadronically and emerge in highly boosted states, and the collimated decay products of each boosted top quark are reconstructed as a single large jet (a “top quark jet”). A tagging technique based on the distinctive masses and substructures of these top quark jets is used to distinguish them from light quark and gluon jets. The data are found to be consistent with Standard Model predictions, and 95% credibility level upper limits are set on the cross section times branching ratio for leptophobic Z' bosons in a Topcolour model and Kaluza-Klein gluons as predicted by the bulk Randall-Sundrum model. These limits exclude Kaluza-Klein gluons with masses between 1.02 TeV and 1.62 TeV. The substructure of light quark and gluon jets, which form the dominant background to hadronically decaying boosted top quarks, is studied in an auxiliary measurement using 35 pb−1 of data collected by ATLAS during the 2010 run period. The observed substructure of these jets are found to be in good agreement with theoretical predictions.

Many theories of physics beyond the Standard Model predict the existence of TeV-scale resonances that decay to top quark pairs. This thesis presents a search for such resonances produced in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV at the CERN Large Hadron Collider with 4.7 fb−1 of data collected by the ATLAS detector in 2011. The search is performed in the channel where both top quarks decay hadronically and emerge in highly boosted states, and the collimated decay products of each boosted top quark are reconstructed as a single large jet (a “top quark jet”). A tagging technique based on the distinctive masses and substructures of these top quark jets is used to distinguish them from light quark and gluon jets. The data are found to be consistent with Standard Model predictions, and 95% credibility level upper limits are set on the cross section times branching ratio for leptophobic Z' bosons in a Topcolour model and Kaluza-Klein gluons as predicted by the bulk Randall-Sundrum model. These limits exclude Kaluza-Klein gluons with masses between 1.02 TeV and 1.62 TeV. The substructure of light quark and gluon jets, which form the dominant background to hadronically decaying boosted top quarks, is studied in an auxiliary measurement using 35 pb−1 of data collected by ATLAS during the 2010 run period. The observed substructure of these jets are found to be in good agreement with theoretical predictions.

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