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.

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.

The scattering of electroweak gauge bosons is closely connected to the electroweak gauge symmetry and its spontaneous breaking through the Brout-Englert-Higgs mechanism. Since it contains triple and quartic gauge boson vertices, the measurement of this scattering process allows to probe the self-interactions of weak bosons. The contribution of the Higgs boson to the weak boson scattering amplitude ensures unitarity of the scattering matrix. Therefore, the scattering of massive electroweak gauge bosons is sensitive to deviations from the Standard Model prescription of the electroweak interaction and of the properties of the Higgs boson. At the Large Hadron Collider (LHC), the scattering of massive electroweak gauge bosons is accessible through the measurement of purely electroweak production of two jets and two gauge bosons. No such process has been observed before. Being the channel with the least amount of background from QCD-mediated production of the same final state, the most promising channel for the first measurement of a process containing massive electroweak gauge boson scattering is the one with two like-charge W bosons and two jets in the final state. This thesis presents the first measurement of electroweak production of two jets and two identically charged W bosons, which yields the first observation of a process with contributions from quartic gauge interactions of massive electroweak gauge bosons. An overview of the most important issues in Monte Carlo simulation of vector boson scattering processes with current Monte Carlo generators is given in this work. The measurement of the final state of two jets and two leptonically decaying same-charge W bosons is conducted based on proton-proton collision data with a center-of-mass energy of √s = 8 TeV, taken in 2012 with the ATLAS experiment at the LHC. The cross section of electroweak production of two jets and two like-charge W bosons is measured with a significance of 3.6 standard deviations to be σ(W± W±jj−EW[fiducial]) = 1.3 ± 0.4(stat.) ± 0.2(syst.) fb in a fiducial phase space region selected to enhance the contribution from W W scattering. The measurement is compatible with the Standard Model prediction of σ(W±W± jj−EW[fiducial]) = 0.95 ± 0.06 fb. Based on this measurement, limits on anomalous quartic gauge couplings are derived. The effect of anomalous quartic gauge couplings is simulated within the framework of an effective chiral Lagrangian unitarized with the K-matrix method. The limits for the anomalous coupling parameters α4 and α5 are found to be −0.14 < α4 < 0.16 and −0.23 < α5 < 0.24 at 95 % confidence level. Furthermore, the prospects for the measurement of the electroweak production of two same-charge W bosons and two jets within the Standard Model and with additional doubly charged resonances after the upgrade of the ATLAS detector and the LHC are investigated. For a high-luminosity LHC with a center-of-mass energy of √s = 14 TeV, the significance of the measurement with an integrated luminosity of 3000 fb^−1 is estimated to be 18.7 standard deviations. It can be improved by 30 % by extending the inner tracking detector of the atlas experiment up to an absolute pseudorapidity of |η| = 4.0.

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.

Die Dynamik anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachter wechselwirkender Quantenvielteilchensysteme wirft aktuell noch spannende Fragen auf. In Bezug auf die Thermalisierung ist z.B. nach wie vor ungeklärt, in welcher Form sie überhaupt stattfindet und in welchen Observablen bzw. auf welcher Zeitskala sie zu beobachten ist. Eine ideale Grundlage zur Erforschung von Relaxationsdynamiken in wechselwirkenden Vielteilchensystemen bieten ultrakalte Quantengase aufgrund ihrer guten Kontrollier- und Variierbarkeit. Ein allgemeiner theoretischer Rahmen, auf dessen Basis solche Prozesse zu untersuchen sind, steht jedoch infolge der großen Anzahl der beteiligten Freiheitsgrade bisher nicht zur Verfügung. Für ultrakalte bosonische Gase stellt die Gross-Pitaevskii-Gleichung eines der wichtigsten theoretischen Werkzeuge dar, eine klassische Feldgleichung für die Kondensatwellenfunktion in Molekularfeldnäherung. Die ihr zugrunde liegende Näherung erlaubt jedoch keine nicht-trivialen Aussagen über den vollen N-Teilchenzustand, dessen Kenntnis für die Untersuchung einer möglichen Relaxationsdynamik unabdingbar ist. Um der theoretischen Beschreibung des vollen bosonischen Feldes einen Schritt näher zu kommen, untersucht die vorliegende Arbeit die Anwendung semiklassischer Methoden auf ultrakalte Bosegase. Diese sind in der Regel dann sehr genau, wenn die beteiligten Wirkungen groß gegenüber dem Planckschen Wirkungsquantum sind. Für bosonische Felder wird dieser Grenzfall durch die Bedingung einer großen Teilchenzahl ersetzt. Die immense Anzahl an Teilchen in den hier behandelten Vielteilchensystemen macht die Anwendung semiklassischer Methoden auf diesem Gebiet also vielversprechend. Als zentrales Modellsystem wird ein anfänglich aus dem Gleichgewicht gebrachtes ultrakaltes bosonisches Doppelmuldensystem betrachtet, das eine hochinteressante Dynamik aufweist, die auf das Wechselspiel der Tunneldynamik einerseits und der Wechselwirkung der Teilchen untereinander andererseits zurückzuführen ist. Als Referenz lassen sich aufgrund der speziellen Fallengeometrie im Rahmen der Zwei-Moden-Näherung die Ergebnisse einer numerisch exakten Untersuchung heranziehen. Durch den Einsatz der namhaften WKB-Quantisierung und des besonders aus der Molekülphysik bekannten Reflexionsprinzips wird hier ein geschlossener analytischer Ausdruck für die sogenannte Populationsdifferenz im Doppelminimum hergeleitet, der ausschließlich von den wenigen relevanten Systemparametern abhängt. Diese mächtige Formel erlaubt es nun zum ersten Mal, in quantitativer Weise die charakteristische Sequenz aus Oszillationen, Kollapsen und Revivals in Abhängigkeit der vorausgesetzten Parameter zu untersuchen. Nach dieser ersten erfolgreichen Anwendung semiklassischer Methoden im Modellsystem wird über die reduzierte Dynamik der Populationsdifferenz hinausgegangen. Mithilfe des semiklassischen Herman-Kluk-Propagators lässt sich selbst der volle N-Teilchenzustand untersuchen. Da es letztlich um die Beschreibung ultrakalter Bosonen in beliebigen Potentialen gehen soll, wird zunächst der Herman-Kluk-Propagator für eine Feldtheorie vorgestellt. Im Doppelmuldensystem zeigt sich dann in der Anwendung die semiklassische Propagation in der Lage, für alle untersuchten Parameterregime gute Übereinstimmung mit den numerisch exakten Ergebnissen zu liefern. Zusätzlich findet ein Abgleich der Resultate mit der Truncated Wigner Approximation statt, auf die im Forschungsgebiet ultrakalter Bosonen häufig zurück gegriffen wird. Diese beschreibt die Zeitentwicklung einer Wignerverteilung unter Aussparung der Quanteninterferenzen. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Herman-Kluk-Propagation unter Berücksichtigung der Phasen weit über die Truncated Wigner Approximation hinausgeht: Sie gibt alle wichtigen Charakteristika der Dynamik im Doppelmuldensystem wieder. Um die Semiklassik auf ihre Aussagefähigkeit in Bezug auf eine noch komplexere Dynamik zu untersuchen, wird zum Abschluss das Drei-Topf-System betrachtet, das zusätzlich chaotische Regionen im Phasenraum aufweist. Auch hier zeigt sich, dass die semiklassische Berücksichtigung der Phasen die Truncated Wigner Approximation in den Schatten stellt. Allerdings ergeben sich durch die Instabilität der Trajektorien für stark chaotische Regime numerische Probleme, die es in der Zukunft zu lösen gilt. / The dynamics of initially non equilibrium interacting quantum many body systems is an ongoing and interesting field of research. It is still an open question in which form relaxation occurs in such systems, and in which observables and on which timescales a possible thermalization might appear. A perfect playground for the investigations of relaxation dynamics in interacting many body schemes is provided by ultracold quantum gases, which are easily to be controlled and varied in experiments. However, a general theoretical framework for the investigation of such processes is still missing, due to the huge amount of involved degrees of freedom. One of the main theoretical tools in the field of ultracold bosonic gases represents the famous Gross-Pitaevskii equation, a field equation for the Bose-Einstein condensate wave function in terms of a mean-field approximation. However, the underlying approximation prevents the possibility to draw non-trivial conclusions about the full N-particle state, the information of which is necessary for the analysis of relaxation processes. To gain the theoretical description of the full bosonic field, the present thesis deals with the application of semiclassical methods to ultracold boson gases. Those techniques become in general exact, as long as the involved actions are large compared to Planck's constant. For many body systems it turns out that semiclassics are expected to give good results also for the condition of high particle numbers, which is precisely fulfilled in these schemes, making the semiclassical approaches promising. As an essential model system an initially out of equilibrium ultracold bosonic double-well system is investigated. This configuration provides highly interesting dynamics due to the interplay of the tunneling dynamics on the one hand and the interaction amongst the particles on the other. The special trap geometry makes exact numerical calculations in the framework of the two-mode approximation available, which serve in the following as reference data. By applying the common semiclassical WKB approximation and the reflection principle known from molecule physics, a closed analytical expression for the so-called population imbalance of the bosons in the double-well is derived, depending only on the few relevant system parameters. This mighty formula allows for the first time the quantitative investigation of the characteristic sequence consisting of oscillations, collapse and revivals in dependence on the parameters of the system. Since the semiclassical approaches succeeded for the double-well model so far the so-called Herman-Kluk propagator is adopted, to go beyond the reduced dynamics of the population imbalance. The propagator provides the possibility to treat the full N-particle state theoretically and is introduced for the most general case of a bosonic quantum field. Its application to the double-well system yields for all investigated parameter regimes very good agreement with the numerical exact results. Furthermore the outcomes are compared to the Truncated Wigner approximation, which is frequently used in the research field of ultracold bosons. This approach pictures the time evolution of a Wigner distribution, without taking into account the quantum interferences. In the present thesis it is shown that the Herman-Kluk propagation goes clearly beyond the truncated Wigner approach by considering in addition the quantum phases: The propagator is able to reproduce all of the distinctive features of the double-well dynamics. In order to test the performance of semiclassical methods in matters of even more complex systems, the ultracold bosonic triple-well model is finally considered, which exhibits unlike the double-well scheme chaotic regions in phase space. It turns out that the semiclassical propagation outplays again the truncated Wigner approximation. On the other hand the instability of the highly chaotic trajectories causes numerical problems, which have to be solved in the future.

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.

Die Suche nach dem Higgs-Boson des Standardmodells der Teilchenphysik stellte einen der Hauptgründe für den Bau des Large Hadron Colliders (LHC) dar, dem derzeit größten Teilchenphysik-Experiment der Welt. Die vorliegende Arbeit ist gleichfalls von dieser Suche getrieben. Der direkte Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen wird untersucht. Dieser Kanal hat mehrere Vorteile. Zum einen ist der Endzustand, bestehend aus zwei Myonen unterschiedlicher Ladung, leicht nachzuweisen und besitzt eine klare Signatur. Weiterhin ist die Massenauflösung hervorragend, sodass eine gegebenenfalls vorhandene Resonanz gleich in ihrer grundlegenden Eigenschaft - ihrer Masse - bestimmt werden kann. Leider ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar von Myonen sehr selten. Lediglich etwa 2 von 10000 erzeugten Higgs-Bosonen zeigen diesen Endzustand . Außerdem existiert mit dem Standardmodellprozess Z/γ∗ → μμ ein Zerfall mit einer sehr ähnlichen Signatur, jedoch um Größenordnungen höherer Eintrittswahrscheinlichkeit. Auf ein entstandenes Higgs-Boson kommen so etwa 1,5 Millionen Z-Bosonen, welche am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV produziert werden. In dieser Arbeit werden zwei eng miteinander verwandte Analysen präsentiert. Zum einen handelt es sich hierbei um die Untersuchung des Datensatzes von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV, aufgezeichnet vom ATLAS-Detektor im Jahre 2012, auch als alleinstehende Analyse bezeichnet. Zum anderen erfolgt die Präsentation der kombinierten Analyse des kompletten Run-I Datensatzes, welcher aus Aufzeichnungen von Proton-Proton-Kollisionen der Jahre 2011 und 2012 bei Schwerpunktsenergien von 7 TeV bzw. 8 TeV besteht. In beiden Fällen wird die Verteilung der invarianten Myon-Myon-Masse nach einer schmalen Resonanzsignatur auf der kontinuierlichen Untergrundverteilung hin untersucht. Dabei dient die theoretisch erwartete Massenverteilung sowie die Massenauflösung des ATLAS-Detektors als Grundlage, um analytische Parametrisierungen der Signal- und Untergrundverteilungen zu entwickeln. Auf diese Art wird der Einfluss systematischer Unsicherheiten auf Grund von ungenauer Beschreibung der Spektren in Monte-Carlo Simulationen verringert. Verbleibende systematische Unsicherheiten auf die Signalakzeptanz werden auf eine neuartige Weise bestimmt. Zusätzlich wird ein bisher einzigartiger Ansatz verfolgt, um die systematische Unsicherheit resultierend aus der Wahl der Untergrundparametrisierung in der kombinierten Analyse verfolgt. Zum ersten Mal wird dabei die Methode des scheinbaren Signals auf einem simulierten Untergrunddatensatz auf Generator-Niveau angewendet, was eine Bestimmung des Einflusses des Untergrundmodells auf die Anzahl der ermittelten Signalereignisse mit nie dagewesener Präzision ermöglicht. In keiner der durchgeführten Analysen konnte ein signifikanter Überschuss im invarianten Massenspektrum des Myon-Myon-Systems nachgewiesen werden, sodass obere Ausschlussgrenzen auf die Signalstärke μ = σ/σ(SM) in Abhängigkeit von der Higgs-Boson-Masse gesetzt werden. Dabei sind Stärken von μ ≥ 10,13 bzw. μ ≥ 7,05 mit einem Konfidenzniveau von 95% durch die alleinstehende bzw. kombinierte Analyse ausgeschlossen, jeweils für eine Higgs-Boson-Masse von 125,5 GeV. Die erzielten Ergebnisse werden ebenfalls im Hinblick auf die kürzlich erfolgte Entdeckung des neuen Teilchens interpretiert, dessen Eigenschaften mit den Vorhersagen eines Standardmodell-Higgs-Bosons mit einer Masse von etwa 125,5 GeV kompatibel sind. Dabei werden obere Grenzen auf das Verzweigungsverhältnis von BR(H → μμ) ≤ 1,3 × 10^−3 und auf die Yukawa-Kopplung des Myons von λμ ≤ 1,6 × 10^−3 gesetzt, jeweils mit einem Konfidenzniveau von 95%. / The search for the Standard Model Higgs boson was one of the key motivations to build the world’s largest particle physics experiment to date, the Large Hadron Collider (LHC). This thesis is equally driven by this search, and it investigates the direct muonic decay of the Higgs boson. The decay into muons has several advantages: it provides a very clear final state with two muons of opposite charge, which can easily be detected. In addition, the muonic final state has an excellent mass resolution, such that an observed resonance can be pinned down in one of its key properties: its mass. Unfortunately, the decay of a Standard Model Higgs boson into a pair of muons is very rare, only two out of 10000 Higgs bosons are predicted to exhibit this decay. On top of that, the non-resonant Standard Model background arising from the Z/γ∗ → μμ process has a very similar signature, while possessing a much higher cross-section. For one produced Higgs boson, there are approximately 1.5 million Z bosons produced at the LHC for a centre-of-mass energy of 8 TeV. Two related analyses are presented in this thesis: the investigation of 20.7 fb^−1 of the proton-proton collision dataset recorded by the ATLAS detector in 2012, referred to as standalone analysis, and the combined analysis as the search in the full run-I dataset consisting of proton-proton collision data recorded in 2011 and 2012, which corresponds to an integrated luminosity of L = 24.8 fb^−1 . In each case, the dimuon invariant mass spectrum is examined for a narrow resonance on top of the continuous background distribution. The dimuon phenomenology and ATLAS detector performance serve as the foundations to develop analytical models describing the spectra. Using these analytical parametrisations for the signal and background mass distributions, the sensitivity of the analyses to systematic uncertainties due to Monte-Carlo simulation mismodeling are minimised. These residual systematic uncertainties are addressed in a unique way as signal acceptance uncertainties. In addition, a new approach to assess the systematic uncertainty associated with the choice of the background model is designed for the combined analysis. For the first time, the spurious signal technique is performed on generator-level simulated background samples, which allows for a precise determination of the background fit bias. No statistically significant excess in the dimuon invariant mass spectrum is observed in either analysis, and upper limits are set on the signal strength μ = σ/σ(SM) as a function of the Higgs boson mass. Signal strengths of μ ≥ 10.13 and μ ≥ 7.05 are excluded for a Higgs boson mass of 125.5 GeV with a confidence level of 95% by the standalone and combined analysis, respectively. In the light of the discovery of a particle consistent with the predictions for a Standard Model Higgs boson with a mass of m H = 125.5 GeV, the search results are reinterpreted for this special case, setting upper limits on the Higgs boson branching ratio of BR(H →μμ) ≤ 1.3 × 10^−3, and on the muon Yukawa coupling of λμ ≤ 1.6 × 10^−3 , both with a confidence level of 95 %.

My dissertation treats the physics of ultracold gases, in particular of Bose-Einstein condensates with long-ranged interactions induced by admixing a small fraction of a Rydberg state to the atomic ground state. The resulting interaction leads to the emergence of supersolid states and to the self-trapping of a Bose-Einstein condensate.

In this study, a measurement of the production cross section of Standard Model Z bosons in proton-proton collisions in the decay channel Z to tau tau is performed with data of 1.34 fb-1 - 1.55fb-1 recorded by the ATLAS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 7 TeV. An event selection of the data is applied in order to obtain a sample enriched with Z to tau tau events. After background estimations using data and Monte Carlo (MC) simulations, the fiducial cross sections in the sub-channels Z to tau tau to e tau_h + 3nu and Z to tau tau to mu tau_h + 3nu are measured. Together with the geometrical and kinematical acceptance, A_Z, and the well known tau lepton branching fractions, these results are combined to a total inclusive Z to tau tau cross section. A_Z is obtained from MC studies only, and the combination of the channels is done including statistical and systematical uncertainties using the BLUE method. The result is a measured total inclusive cross section of 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. This is in agreement with theoretical predictions from NNLO calculations of 964 plus minus 48 pb and also with measurements previously performed by the ATLAS and CMS experiments. With the increased amount of data, the statistical uncertainty could be reduced significantly compared to previous measurements. Furthermore, a testbeam analysis is performed to study the operation of the electromagnetic and hadronic endcap calorimeters, EMEC and HEC, and of the forward calorimeter, FCal, in the high particle fluxes expected for the upgraded LHC. The high voltage return currents of the EMEC module are analysed in dependence of the beam intensity. The results are compared to model predictions and simulations to extract the point of critical operation. Overall, the results for the critical beam intensities and the critical high voltage currents are in agreement with the predictions, but the assigned uncertainties are rather large. The general behaviour of the high voltage current in dependence of the beam intensity above the critical intensity could be confirmed very well. The testbeam data show that the EMEC can be operated up to highest LHC luminosities, and that ATLAS conserves its excellent calorimeter performance in this detector area. / In dieser Studie wird eine Wirkungsquerschnittsmessung des Standardmodell-Z-Bosons im Zerfallskanal Z nach tau tau mit Kollisionsereignissen entsprechend 1.34 fb-1 bis 1.55 fb-1 aufgezeichneter Daten des ATLAS-Experiments am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV durchgefuehrt. Hierbei kommt eine spezielle Ereignisselektion der Daten zum Einsatz, die zum Ziel hat, einen mit Z nach tau tau Ereignissen angereicherten Datensatz zu erhalten. Nach einer Untergrundabschaetzung mit Hilfe von experimentellen Daten und Monte-Carlo(MC)-Simulationen wird eine spezifische Wirkungsquerschnittsmessung in den Unterkanaelen Z nach tau tau nach e tau_h + 3nu und Z nach tau tau nach mu tau_h + 3nu erreicht, welche zunaechst nur Ereignisse in der geometrischen und kinematischen Akzeptanzregion umfasst. Zusammen mit der Selektionseffizienz dieser Akzeptanzregion, A_Z, und den bekannten Tau-Lepton-Verzweigungsverhaeltnissen koennen diese Ergebnisse zu einem totalen, inklusiven Z nach tau tau Wirkungsquerschnitt kombiniert werden. Hierbei wird A_Z ausschliesslich aus MC-Studien bestimmt und die Kombination unter Beruecksichtigung der statistischen und systematischen Fehler der Einzelkanaele mit der BLUE-Methode durchgefuehrt. Das Ergebnis ist ein totaler, inklusiver Wirkungsquerschnitt von 914.4 plus minus 14.6(stat) plus minus 95.1(syst) plus minus 33.8(lumi) pb. Dies stimmt innerhalb der Messunsicherheiten sowohl mit theoretischen Vorhersagen aus NNLO Rechnungen von: 964 plus minus 48 pb als auch mit Messungen, die zuvor im Zuge der ATLAS- und CMS-Experimente durchgefuehrt wurden, ueberein. Im Vergleich zu den bisherigen Messungen koennen die statistischen Fehler mit dem groesseren Datensatz deutlich reduziert werden. Weiterhin wird eine Teststrahlstudie zur Pruefung der Funktionalitaet der elektromagnetischen und hadronischen Endkappenkalorimeter, EMEC und HEC, und des Vorwaertskalorimeters FCal in den zukuenftigen, hohen Teilchenflussdichten des verbesserten LHC praesentiert. Die Hochspannungsstroeme des EMEC-Moduls werden in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet analysiert. Weiterhin werden die Ergebnisse mit Modellvorhersagen und Simulationen verglichen, um die Punkte nichtlinearen (kritischen) Betriebes zu extrahieren. Die Ergebnisse fuer die kritische Strahlintensitaet und die kritischen Stroeme stimmen mit Modellrechnungen und Simulationen ueberein, die jedoch mit grossen Unsicherheiten behaftet sind. Das vorhergesagte Verhalten der Hochspannungsstroeme in Abhaengigkeit von der Strahlintensitaet oberhalb der kritischen Intensitaet konnte sehr genau bestaetigt werden. Die Teststrahldaten zeigen, dass das EMEC bis zu den hoechsten LHC-Luminositaeten arbeiten kann und ATLAS in dieser Detektorregion seine exzellenten Kalorimetereigenschaften beibehaelt.

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.