This thesis outlines the search for neutral Higgs bosons in a mass range of m_H/A = 200 GeV − 1.2 TeV, decaying to a pair of hadronically decaying tau leptons. The search is performed using √s = 13 TeV proton-proton collision data, corresponding to an integrated luminosity of 3.21 fb^-1, recorded by the ATLAS detector. No excess over the predicted Standard Model background is observed and upper limits are placed on the production cross section times branching fraction as a function of the mass of the scalar resonance. When combined with the results of the analysis where one of the tau leptons decays to either a muon or electron, the 95% confidence level upper limit on the cross section times branching fraction ranges from 1.4 pb at m_H/A = 200 GeV to 0.025 pb at m_H/A = 1.2 TeV for a scalar boson produced via gluon-gluon fusion, and 1.6 pb at m_H/A = 200 GeV to 0.028 pb at m_H/A = 1.2 TeV for a scalar boson produced via b-associated production. The results are interpreted in the Minimal Supersymmetric extension to the Standard Model (MSSM) as a limit on the value of tanβ, as a function of the mass of the neutral CP-odd MSSM Higgs boson. In the mmod+ scenario, the 95% confidence level upper limit is tanβ < 7.6 for m_A = 200 GeV, and tanβ < 47 for m_A = 1 TeV. For the mass range m_A > 500 GeV, the upper limit on tanβ is improved in comparison to previous ATLAS searches.

Title: Monte Carlo Simulations of the Tile Calorimeter and Measurement of the Z → ττ Cross Section with the ATLAS Detector Author: Mgr. Jana Nováková Department: Institute of Particle and Nuclear Physics (IPNP) Supervisor: RNDr. Tomáš Davídek, PhD., IPNP Supervisor's e-mail address: davidek@ipnp.troja.mff.cuni.cz Abstract: The Monte Carlo simulations of the Tile calorimeter in the ATLAS experiment at the LHC, especially the electronic noise and multiple interactions (co-called pile-up), are discussed in the thesis. A good agreement in the cell energy distribution between data and Monte Carlo simulations is found. The cross section measurement of Z → ττ events with the ττ invariant mass between 66 and 116 GeV with the ATLAS experiment is described in the next part of the thesis. Data samples collected during 2011 corresponding to the integrated luminosity of 1.34 - 1.55 fb−1 are used for the analysis. The measurements are performed in three different final states depending on the decay mode of the τ leptons. The measurement in the channel with one τ lepton decaying leptonically into the electron + neutrinos (schematically τ → e + νe + ντ ) and the other one hadronically (schematically τ → hadrons + ντ ), especially the calculation of the nominal cross section and the evaluation of the systematic...

The Standard Model of elementary particles (SM) predicts the existence of a neutral scalar Higgs boson. However, there are also extensions of the SM (such as the MSSM) in which a number of Higgs bosons is predicted. Especially the additional presence of pseudoscalar and charged Higgs bosons represents one of the crucial differences between the SM and its exten- sions. This work develops a method for determination of the spin and parity of the Higgs boson in several H → ττ decays, namely: H→ τ+ τ− → (h+ ντ )(h− ¯ντ ), H→ τ+ τ− → ( + ντ ¯ν )(π− ¯ντ ) and H→ τ+ τ− → ( + ντ ¯ν )( − ¯ντ ν ), where h denotes π or ρ meson. The method is based on the angular and energy correlations of charged final products from the decays mentioned above. Additionally, the work studies the possibility of signal (Higgs boson decay) and background (Z → ττ decay) discrimination, when one considers a decaying boson with spin 1. All calcula- tions are done in the leading order of perturbation theory. 1

Studies of minimum bias events at colliders probe the behavior of QCD in the non-perturbative regime. The phenomenology of events in this regime is described by empirical models that take many parameters, which all need to be tuned to the observed data. Measurements based on angular correlations between the highest transverse momentum charged particle track and the other charged particle tracks in collision events can, because of their robustness against experimental and detector effects, be a component of the tuning inputs for the models. We measure such observables in a variety of pseudorapidity ranges and at many center-of-mass energies at DØ and ATLAS. We observe that such observables are poorly described by current models and tunes that are used to produce simulated event samples, making them valuable information for the tuning process. The Matrix Element method is a powerful analysis tool to extract precise measurements from data samples of limited statistics. We have investigated the potential of the Matrix Element method to measure the mass of the charged Higgs in the exclusive decay H±→τ±ν→e±+3ν when produced in top quark decays at the Tevatron, with emphasis on the construction of transfer functions in the τ decay chain. We concluded that the τ decay chain can be successfully parametrized via a transfer function and that the method has the potential to provide an accurate charged Higgs mass measurement in this channel. Triggering on τ leptons is a key component for many beyond the Standard Model searches at ATLAS, such as the search for the charged Higgs boson. Events containing Z bosons can be used to measure the efficiency of the ATLAS τ hadronic-decay trigger. We have used a tag-and-probe method on simulated Z boson decays to 2 τ leptons where one decays to a μ while the other decays hadronically. The μ is used as the tag and the τ side is probed. We demonstrated that the efficiency of the τ hadronic-decay trigger can be accurately measured with this method using the first 100 pb-1 of ATLAS data. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 732

Ce mémoire de thèse présente une étude de l’identification des candidats tau par différents algorithmes dans les collisions pp au LHC et impliquant différents processus physiques : électrofaibles, production de quarks top, SUSY et QCD. Les leptons tau sont identifiés géométriquement dans la voie de désintégration hadronique car les jets issus de ces désintégrations sont généralement plus étroits et mieux isolés que les jets QCD. Une discrimination supplémentaire est appliquée en exigeant la présence d’un des modes de désintégration hadronique dominants du tau contenant un ou trois pions chargés et jusqu’à deux pions neutres. Les jets QCD produits en très grande quantité dans les collisions proton-proton du LHC constituent une source de bruit de fond importante pour les analyses impliquant l’identification de leptons tau. L’analyse des jets QCD produits dans le LHC pour les études de mauvaise identification porte sur 36 pb−1 de données enregistrées par le détecteur CMS pendant l’année 2010. Les efficacités d’identification et les taux de mauvaise identification nous révèlent une forte dépendance en les caractéristiques de l’évènement étudié : les efficacités sont globalement plus basses dans les évènements présentant une activité hadronique importante comme les évènements SUSY et tt que dans les évènements QCD mous et électrofaibles. Les effets de l'environnement sur l’identification de tau sont paramétrés à l’aide de deux variables globales : somme(ET) et la multiplicité de hadrons chargés. Les efficacités chutent typiquement de 80% entre les multiplicités de hadrons les plus faibles et le plus fortes. / The work presented in this thesis deals with tau identified by different algorithms in pp collision at LHC and in various kind of physics processes : Electroweak, top quark production, SUSY and QCD. Tau leptons are geometrically identified in their hadronic decay mode because the jets coming from those decays are generally more collimated and isolated than QCD jets. An additional discrimination is applied in asking the presence of one of the dominant # decay modes containing one or three charged pions and up to two neutral pions. The QCD jets produced in large quantities in LHC proton-proton collisions constitute a large background source for analyses involving tau-ID. The analysis of QCD jets produced in LHC for fake-rate studies processed 36pb−1 of data registered during year 2010. Identification efficiencies and fake-rate distributions reveals a strong dependency on event type : distributions are globally lower in events having a large hadronic activity like SUSY and tt events than in electroweak and QCD events. The environment effects of the collision on the identification of tau leptons can be parameterized by two global variables : somme(ET) and charged hadron multiplicity. Efficiencies drop down by 80% between the lowest and the highest charged hadron multiplicities.

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

Die Auswirkungen von anomalen Kopplungen bei den Prozessen der W-Paar- und der ZZ-Erzeugung werden untersucht. Analytische Ausdruecke fuer die differentiellen Wirkungsquerschnitte werden fuer beide Prozesse abgeleitet und numerische Ergebnisse werden praesentiert. Die analytischen Ergebnisse zur W-Paarerzeugung wurden in das Fortranprogramm GENTLE eingebaut, waehrend die Ergebnisse zur ZZ-Erzeugung in einem separaten Program ZAC zur Verfuegung stehen. Die numerischen Resultate werden mit den Vorhersagen des Standardmodells verglichen. Bei der W-Paarerzeugung sind Strahlungskorrekturen durch den Strukturfunktionszugang im Rahmen der Anfangszustandsabstrahlung beruecksichtig worden. Die Auswirkungen eines anomalen magnetischen Momentes a_tau des tau-Leptons auf die Endzustandsabstrahlung im Prozess der tau-Paarproduktion bei LEP1 wurden untersucht. Dieser Prozess erlaubt die Bestimmung des experimentellen Limits fuer das anomale magnetische Moment a_tau. Als ein Ergebnis erhalten wir, dass Beitraege, die linear in a_tau sind und als klein angesehen wurden, bei den heutigen Limits nicht mehr vernachlaessigt werden koennen. / Predictions are made for the effects of anomalous couplings in the processes of W-pair and ZZ production. Analytical expressions for the differential cross-sections are derived in both cases and numerical results are presented. The analytical results for W-pair production were implemented into the Fortran program GENTLE, while the ZZ production results are available in the stand-alone program ZAC. The numerical results are compared with the Standard Model predictions. For W-pair production radiative corrections are considered by using the structure function approach for the description of initial state radiation. Effects of an anomalous magnetic moment a_tau of the tau-lepton to the final state radiation in the process of tau-pair production at LEP1 are examined. This process allows to determine experimental limits for the anomalous magnetic moment of the tau. As a result we find that contributions linear in a_tau, which were believed to be small, cannot be neglegted at the present limits.

La notion de symétrie de jauge est au coeur de notre compréhension de l'interaction électrofaible et permet d'expliquer l'ensemble des observations expérimentales actuelles. Pourtant, l'incompatibilité intrinsèque entre l'invariance de jauge et la masse des particules nécessite d'introduire une nouvelle particule, le boson de Higgs, toujours non observée à ce jour. Cette thèse présente l'analyse de 7.3/fb de collisions protons-antiprotons à sqrt{s} = 1.96 TeV enregistrées par le détecteur D0 au Tevatron en vue de la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau. Cette analyse vient compléter les canaux principaux dimuons, électron-muon et diélectrons en exploitant également la désintégration H -> WW -> lvlv, majoritaire dans la fenêtre de masse accessible au Tevatron. L'état final contenant un lepton tau, leur identification parmi les jets a été améliorée d'environ 15% grâce au développement de plusieurs idées : l'ajustement des paramètres du réseau de neurones d'identification, la prise en compte de certaines dépendances cinématiques des performances de l'algorithme, l'exploitation du temps de vie du lepton tau et une étude exhaustive visant à inclure la mesure du détecteur de pieds de gerbe dans le processus d'identification. Dans un second temps, la recherche du boson de Higgs dans l'état final mu+tau étant dominée par le bruit de fond W+jets (où un jet est faussement identifié comme un lepton tau), une méthode a été élaborée pour obtenir une modélisation convenable de ce bruit de fond, non fournie par la simulation par défaut. Cette méthode est basée, entre autres, sur l'étude de la corrélation de charge entre le muon et le candidat tau qui permet de mesurer ce bruit de fond dans les données en excluant la région du signal. Ensuite, l'exploitation des cinématiques et/ou topologies différentes du signal et du bruit de fond a permis d'optimiser cette recherche atteignant alors une sensibilité attendue (observée) de 7.8 (6.6) fois le Modèle Standard pour une masse de 165 GeV/c2. Enfin, l'interprétation de l'analyse dans un scénario à quatre familles de fermions a été effectuée. Pour la première fois, cette analyse est incluse dans les combinaisons D0 et Tevatron présentées à Moriond EW et EPS 2011. / The gauge symmetry is the heart of our understanding of the electroweak interaction and describes all the current experimental results. However, the intrinsic incompatibility between the gauge invariance and the mass of particles leads to the introduction of a new particle, the Higgs boson, for which we have no experimental evidence as of today. This thesis describes the Higgs boson search in the mu+tau final state in 7.3/fb of protons-antiprotons collisions at sqrt{s} = 1.96 TeV collected by the D0 detector at the Tevatron. This analysis completes the golden channels (dimuons, electron-muon, dielectrons) exploiting the decay chain H-> WW ->lvlv, which is the main Higgs boson decay mode in the mass window accessible to the Tevatron. Since the final state includes a tau lepton, work was done to improve their identification among jets. An increase of 15% was achieved thanks to the the following : changing tuning parameters for the tau identification neural network, use of the kinematical dependence of the algorithm performances, incorporation of the tau lepton life time information and full study of the additionnal information coming from the central preshower measurements. Then, since the dominant background of the mu+tau Higgs boson search is W+jets (where one jet fakes a tau), a method was developed to obtain good modeling of this background, not provided by the default simulation. This method is based, among other things, on the charge correlation between the muon and the tau candidate which allows for calibration of this background in the data excluding the signal region. Finally, all the kinematic and/or topological differences between the signal and the background were exploited to optimize this search, reaching an (observed) expected sensitivity of 7.8 (6.6) times the Standard Model for mH = 165 GeV/c2. In addition, this result was also interpreted in a fourth fermion generation scenario. For the first time, this analysis is included in the D0 and Tevatron combinations, both presented at Moriond EW and EPS 2011.

In the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, direct searches for the elusive Higgs boson will be conducted, as well as for physics beyond the Standard Model. The charged Higgs boson (H±) is interesting both as a part of the Higgs sector, and as a clear sign of new physics. This thesis focuses on H± searches, with H± production in top-antitop pair events, and in particular the  bW± bH±, H±→τhadν, W±→qq channel. Its potential was investigated  as  part of a larger study of the expected performance of the entire ATLAS experiment. Full simulation of the ATLAS detector and trigger was used, and all dominant systematics considered. It was shown to be the most promising H± discovery channel for mH±<mt. As hadronic τ decays are important for H± searches, their correct identification is critical. Possibilities of improving tau-jet identification in  pile-up and top-antitop pair events were investigated. Redundant or even performance-reducing variables in the default likelihood identification were identified, as were new variables showing discriminatory power. This allows for increased rejection of QCD jets in these environments, and higher robustness of the method. Before any physics studies, a commissioned and well-understood detector is required. The Lorentz angle of the ATLAS Semi-Conductor Tracker (SCT) barrel was measured using 2008 cosmic-ray data. It is an important observable for the performance of several detector aspects. Potential sources of systematics were investigated and evaluated. The Lorentz angle in the SCT barrel was measured as θL = 3.93 ± 0.03(stat) ± 0.10(syst) degrees, agreeing with the model prediction. The Compact Linear Collider (CLIC) is a proposed successor to the LHC. The potential for charged and heavy neutral Higgs bosons at CLIC was investigated, in terms of both discovery and precision measurement of parameters like tanβ or the Higgs masses, up to and beyond 1 TeV, which would be challenging at the LHC

Cette thèse a pour sujet la mesure de la section efficace de production de paires de quarks top-antitop dans l’expérience CMS auprès du LHC. L’état final considéré est le canal semi-leptonique ”tau+jets”. Un boson W issu de la désintégration du quark top se désintègre en un tau hadronique et neutrino tandis que le second boson W se désintègre en une paire quark-antiquark. La conduite de cette analyse a nécessité le développement d’un nouveau mode de déclenchement des données (trigger) incluant la présence de quatre jets dont un identifié en tant que tau hadronique. La configuration de ce trigger ainsi que son efficacité ont été étudiés dans cette thèse. Un échantillon de données correspondant à 3.9 fb−1 a été enregistré avec ce trigger et analysé. Les leptons taus ont été reconstruits grâce à un algorithme identifiant leurs résonances intermédiaires tandis que les jets de quarks beaux issus de la désintégration des quarks tops ont été identifiés grâce à l’algorithme ”probabilité par jet”. Cet algorithme pour lequel j’ai mis en oeuvre une procédure de calibration depuis 2009 utilise le paramètre d’impact des traces de particules chargées pour calculer leur probabilité de venir du vertex primaire. Des études de performance de cet algorithme sont également présentées dans cette thèse. Afin de séparer le signal de l’important bruit de fond majoritairement constitué des processus multijets QCD et W+jets un réseau de neurones utilisant des variables dites d’environnement (aplanarité, HT, M(τ,jets), énergie transverse manquante...) a été développé. La section efficace a été extraite à l’aide d’un ajustement par méthode du maximum de vraisemblance de la sortie du réseau de neurones. Les incertitudes systématiques ont fait l’objet d’une étude détaillée. La valeur de la section efficace mesurée, σ(top-antitop) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, est en accord avec la section efficace prédite par le modèle standard. / In this thesis we present the first measurement in the CMS experiment of the top-antitop production cross section in the tau+jets final state. To perform this measurement we designed a specific trigger requiring the presence of four jets, one of them being identified as an hadronic tau. The performance of this trigger has been studied in this thesis. A dataset of 3.9 fb-1 was collected with this trigger and analyzed. At offline level we needed to apply a sophisticated tau identification technique to identify the tau jets, based on the reconstruction of the intermediate resonances of the hadronic tau decay modes. Another crucial point was the b-jet identification, both to identify the b-jets in the final state and to modelize the background using a data driven technique. The studies done on the b-tag algorithms along the PhD period are also presented with particular attention to the ”Jet Probability” algorithm. It is the algorithm for which I performed the calibration since 2009 as well as the one used to tag the b-jets from the top decays. A neural network has been developed to separate the top-antitop events from the W+jets and multijet backgrounds. A binned likelihood fit to the neural network output distribution is done in order to extract the signal contribution from the background. A detailed estimation of the systematic uncertainties on the cross section measurement is also presented. The result for the cross section measurement, σ(tt) = 156 ± 12 (stat.) ± 33 (syst.) ± 3 (lumi) pb, is in perfect agreement with the standard model expectation.