Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.:Kurzfassung v Abstract vii Contents ix 1 Introduction 1 2 Theoretical Framework 3 2.1 The Standard Model of Particle Physics 3 2.1.1 Particles, Fields and Interactions 3 2.1.2 Gauge Theory in a Nutshell 6 2.1.3 Brout-Englert-Higgs Mechanism 9 2.2 Supersymmetry 11 2.2.1 Sources of Supersymmetry Breaking 20 2.2.2 Two Higgs Doublet Model 21 2.2.3 Charged Higgs Boson Production and Decay 22 2.3 Current Status of charged Higgs Boson Searches 24 3 Monte Carlo Simulation 33 3.1 Methodology of Monte Carlo Simulation 33 3.2 Monte Carlo Simulation for Electron to t Mis-identification Analysis 35 3.3 Monte Carlo Simulation for H± Analysis with Data taken 2010 35 3.4 Monte Carlo Simulation for H± Analyses with Data taken 2011 37 4 LHC and the ATLAS Detector 41 4.1 The Large Hadron Collider 41 4.2 The ATLAS Detector 42 4.2.1 Magnet Systems 46 4.2.2 Inner Detector 47 4.2.3 Calorimeter Systems 50 4.2.4 Muon Spectrometer 60 4.2.5 Forward Detectors 61 4.2.6 Trigger and Data Acquisition 63 4.3 Data Taking 67 5 Event Selection and Data-Driven Background Estimation Techniques 73 5.1 Event Cleaning 74 5.2 Trigger for the Charged Higgs Boson Analyses 74 5.2.1 Trigger for the thad+Lepton and tlep+Jets Channels 75 5.2.2 Trigger for the thad+Jets Channel 77 5.3 Physics Object Reconstruction 77 5.3.1 Muons 77 5.3.2 Electrons 77 5.3.3 Jets 78 5.3.4 b-Tagging 79 5.3.5 Hadronically decaying t Leptons 79 5.3.6 Missing Transverse Momentum 79 5.3.7 Removal of Geometric Overlaps between Objects 80 5.4 Selection and Cut Optimisation 80 5.4.1 thad+Lepton Analysis Selection 80 5.4.2 tlep+Jets Analysis Selection 82 5.4.3 thad+Jets Analysis Selection 83 5.5 Background Estimations 84 5.5.1 Measurement of the t Lepton Mis-identification Probability from Electrons 84 5.5.2 Backgrounds with Electrons and Jets Mis-identified as t Leptons 88 5.5.3 Embedding Method 92 5.5.4 Multi-Jet Background 92 5.5.5 Backgrounds with Mis-identified Leptons 93 6 Direct Searches for the Charged Higgs Boson 95 6.1 Analysis of the thad+Lepton Channel 95 6.2 Analysis of the tlep+Jets Channel 95 6.3 Analysis of the thad+Jets Channel 98 6.4 Systematic Uncertainties 101 6.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 101 6.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 103 6.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 103 6.5 Results 107 7 Indirect Search for the Charged Higgs Boson – The Ratio-Method 111 7.1 Ratio-Method: A Re-Analysis of the thad+Lepton Channel 111 7.2 Event Selection 112 7.3 Measured Event Yield Ratios 115 7.4 Systematic Uncertainties 115 7.4.1 Systematic Uncertainties of Detector Simulation 115 7.4.2 Systematic Uncertainties of Generation of tt Events 115 7.4.3 Systematic Uncertainties of Data-Driven Background Estimates 118 7.5 Results 119 7.5.1 Upper Limits obtained from Results of the Ratio-Method 119 7.5.2 Combination of Upper Limits obtained from Direct Searches for Charged Higgs Bosons in the thad+jets final state and the Ratio-Method Results 124 8 Comparison and Discussion of the Results 131 9 Summary and Outlook 137 A Monte Carlo Simulation Samples 141 A.1 Monte Carlo Simulation Samples for 2010 Analyses 141 A.1.1 Monte Carlo Simulation Samples for the Electron to t Lepton Mis-identification Analysis 141 A.1.2 Monte Carlo Simulation Samples for the H± Analysis 143 A.2 Monte Carlo Simulation Samples for 2011 Analyses 147 A.2.1 Monte Carlo Samples for H± Ratio-Method Search Analysis 147 List of Figures 149 List of Tables 153 Bibliography 155 Acknowledgements 179

Supersymmetrische Feldtheorien können durch eine nicht-lineare und nicht-lokale Transformation der bosonischen Felder charakterisiert werden, der Nicolai-Abbildung. Sie bildet das wechselwirkende Funktionalmaß so auf das Maß der zugehörigen freien Theorie ab, dass die Jacobi-Determinante gleich dem Produkt der fermionischen Determinanten ist. Wir untersuchen die Nicolai-Abbildungen des 2-dimenionalen Wess-Zumino Modells und der N=1 sowie N=4 super Yang-Mills Theorien. Wir geben einen konstruktiven Beweis für die Existenz der Nicolai-Abbildung in diesen Theorien. Der Beweis beinhaltet die Herleitung des infinitesimalen Generators der inversen Abbildung, dem R-Operator. Wir benutzen diesen Operator, um die Nicolai-Abbildung im 2-dimensionalen Wess-Zumino Modell bis zur fünften Ordnung in der Kopplung zu berechnen. In der N=1 super Yang-Mills Theorie führen wir die Begriffe der on- bzw. off-shell Nicolai-Abbildungen ein. Die on-shell Abbildung existiert in d=3,4,6 und 10 Dimensionen aber nur für die Landau Eichung. Wir bestimmen sie bis zur vierten Ordnung. Die off-shell Abbildung existiert nur in d=4 Dimensionen aber für allgemeine Eichungen. Wir berechnen sie in der axialen Eichung bis zur zweiten Ordnung. Für die N=4 super Yang-Mills Theorie geben wir den R-Operator an und zeigen, dass man die N=4 Nicolai-Abbildung durch dimensionale Reduktion aus der N=1 Abbildung erhält. Inverse Nicolai-Abbildungen bilden Quantenkorrelationsfunktionen bosonischer Observablen auf freie Korrelationsfunktionen ab. Daher gestatten sie eine Quantisierung supersymmetrischer Theorien ohne die Verwendung von Fermionen oder Geistern. Wir benutzten diese Eigenschaft, um den Vakuum-Erwartungswert der Maldacena-Wilson Geraden bis zur sechsten Ordnung zu berechnen. Im zweiten Teil dieser Arbeit bestimmen wir die explizite Form aller Felder im 1/2-BPS Energie-Impuls-Tensor Multiplet in N=4 super Yang-Mills. Dieses Multiplet enthält den R-Symmetrie Fluss und den Energie-Impuls-Tensor. / Supersymmetric field theories can be characterized by the existence of a non-linear and non-local transformation of the bosonic fields, the Nicolai map. It maps the interacting functional measure to that of a free theory such that the Jacobian determinant of the transformation equals the product of the fermionic determinants. In this thesis, we study the Nicolai maps of the 2-dimensional Wess-Zumino model, N=1 super Yang-Mills and N=4 super Yang-Mills. We give a constructive proof for the existence of the Nicolai map in these theories. The proof includes the derivation of the infinitesimal generator of the inverse Nicolai map, called the R-operator. We use this operator to compute the Nicolai map of the 2-dimensional Wess-Zumino model up to the fifth order in the coupling. In N=1 super Yang-Mills, we introduce the notion of on- and off-shell Nicolai maps. The on-shell Nicolai map of N=1 super Yang-Mills exists in d=3,4,6 and 10 dimensions but is constrained to the Landau gauge. We compute this map up to the fourth order. The off-shell Nicolai map exists only in d=4 dimensions but for general gauges. We compute it in the axial gauge up to the second order. In N=4 super Yang-Mills, we give the R-operator and show that the Nicolai map can be obtained from the Nicolai map of 10-dimensional N=1 super Yang-Mills by dimensional reduction. Inverse Nicolai maps map quantum correlation functions of bosonic observables to free correlation functions. Hence, Nicolai maps allow for a fermion (and ghost) free quantization of supersymmetric (gauge) theories. We apply this property to compute the vacuum expectation value of the infinite straight line Maldacena-Wilson loop in N=4 super Yang-Mills to the sixth order. Thus extending the previous perturbative result by one order. In the second part of this thesis, we derive the explicit field content of the 1/2-BPS stress tensor multiplet in N=4 super Yang-Mills, which contains the R-symmetry current and the energy-momentum tensor.

No description available.

Recent efforts to classify off-shell representations of supersymmetry without a central charge have focused upon directed, supermultiplet graphs of hypercubic topology known as Adinkras. These encodings of Super Poincare algebras, depict every generator of a chosen supersymmetry as a node-pair transformtion between fermionic bosonic component fields. This research thesis is a culmination of investigating novel diagrammatic sums of gauge-quotients by supersymmetric images of other Adinkras, and the correlated building of field theoretic worldline Lagrangians to accommodate both classical and quantum venues. We find Ref [40], that such gauge quotients do not yield other stand alone or "proper" Adinkras as afore sighted, nor can they be decomposed into supermultiplet sums, but are rather a connected "Adinkraic network". Their iteration, analogous to Weyl's construction for producing all finite-dimensional unitary representations in Lie algebras, sets off chains of algebraic paradigms in discrete-graph and continuous-field variables, the links of which feature distinct, supersymmetric Lagrangian templates. Collectively, these Adiankraic series air new symbolic genera for equation to phase moments in Feynman path integrals. Guided in this light, we proceed by constructing Lagrangians actions for the N = 3 supermultiplet YI /(iDI X) for I = 1, 2, 3, where YI and X are standard, Salam-Strathdee superfields: YI fermionic and X bosonic. The system, bilinear in the component fields exhibits a total of thirteen free parameters, seven of which specify Zeeman-like coupling to external background (magnetic) fluxes. All but special subsets of this parameter space describe aperiodic oscillatory responses, some of which are found to be surprisingly controlled by the golden ratio, [phi] = 1.61803, Ref [52]. It is further determined that these Lagrangians allow an N = 3 - > 4 supersymmetric extension to the Chiral-Chiral and Chiral-twistedChiral multiplet, while a subset admits two inequivalent such extensions. In a natural proiii gression, a continuum of observably and usefully inequivalent, finite-dimensional off-shell representations of worldline N = 4 extended supersymmetry are explored, that are variate from one another but in the value of a tuning parameter, Ref [53]. Their dynamics turns out to be nontrivial already when restricting to just bilinear Lagrangians. In particular, we find a 34-parameter family of bilinear Lagrangians that couple two differently tuned supermultiplets to each other and to external magnetic fluxes, where the explicit parameter dependence is unremovable by any field redefinition and is therefore observable. This offers the evaluation of X-phase sensitive, off-shell path integrals with promising correlations to group product decompositions and to deriving source emergences of higher-order background flux-forms on 2-dimensional manifolds, the stacks of which comprise space-time volumes. Application to nonlinear sigma models would naturally follow, having potential use in M- and F- string theories.