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.

In dieser Arbeit adressieren wir die Schwierigkeit, Präzisionsvorhersagen mit dem kompletten Satz theoretischer Unsicherheiten in der perturbativen Quantenchromodynamik im Rahmen von Monte-Carlo-Simulationen zu treffen, angesichts der zunehmenden Komplexität der dazu nötigen Berechnungen. Die Anforderungen an die Rechenleistung können so groß sein, dass nicht in jeder Anwendung die bestmögliche Präzision erzielt wird. Wir präsentieren eine Reweighting-Methode für den Monte-Carlo-Ereignisgenerator SHERPA. Diese erstellt Variationen der nominellen Vorhersage mit vergleichsweise geringem zusätzlichen Zeitaufwand. Die Methode ist kompatibel mit aktuellen Multijet-Berechnungen nächsthöherer Ordnung, die mit Korrekturen von allen Ordnungen durch einen Partonschauer versehen sind. Zusätzlich diskutieren wir neue Entwicklungen für einen weiteren Reweighting-Ansatz, der auf QCD-Interpolationsgittern beruht. Diese ermöglichen noch schnellere Variationen für Berechnungen fester Ordnung. Solche Gitter können für Monte-Carlo-Simulationen automatisiert erstellt werden mithilfe von Interfaces wie MCgrid. Unsere Verbesserungen für MCgrid ermöglichen die Erstellung vielseitigerer Gitter, die eine größere Klasse von Berechnungen, Gitter-Implementierungen und Skalenvariationen unterstützen. Darüber hinaus diskutieren wir, auf welche Weise solche Gitter für die Unterstützung von Resummationseffekten erweitert werden müssten. Neben dem Reweighting studieren wir noch die Verwendung von Extrapolationsmethoden für die Vorhersage von Jet-Raten hoher Multiplizitäten, welche an zukünftigen Hochenergiebeschleunigern allgegenwärtig sein werden. Diese Methoden basieren auf dem Skalierungsverhalten der Jet-Raten. Eingebettet ist diese Studie in eine allgemeinere Diskussion der zu erwartenden Jet-Aktivität an einem Proton-Proton-Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 100 TeV.

Die Suche nach dem Higgs Boson ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der modernen Teilchenphysik. Zum einen ist das Higgs Boson das einzige bislang unentdeckte Teilchen des Standard Modells. Zum anderen gibt seine mögliche Entdeckung eine bessere Einsicht in die Natur neuer Physik. Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders, LHC, am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf konnten Proton-Proton Kollisionen mit bislang unerreichten Schwerpunktsenergien von √s = 7 TeV beziehungsweise √s = 8 TeV erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Messung des Wechselwirkungsquerschnitts pp→Z/γ→τ⁺τ⁻ im gemischten leptonischen Endzustand mit Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Der Zerfall der kohärenten Summe aus Photon, γ, und Z Boson in zwei τ -Leptonen ist ein irreduzibler Untergrund von Higgs Boson Zerfällen in zwei τ -Leptonen. Eine genaue Kenntniss des Massenspektrums sowie dessen Normierung ist deswegen für die Higgs Boson Suche essentiell. Die verwendeten Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von L = 35,51 pb⁻¹ bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV. Die Messung erzielt einen Wechselwirkungsquerschnitt von σ×BR(Z→ττ ) = (1041 ± 143 ± 74 ± 35) pb. Die angegebenen Unsicherheiten entsprechen den statistischen, den systematischen und den Unsicherheiten aus Luminositätsmessungen. Das Ergebnis stimmt mit dem theoretisch bestimmten Wert sowie dem Ergebnis anderer Experimente innerhalb seiner Unsicherheiten überein. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Massenrekonstruktionsmethoden von Zerfällen in zwei τ-Leptonen untersucht. Die Analyse konzentriert sich dabei auf Higgs Bosonen, der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standard Modells; insbesondere auf deren Zerfall in zwei τ-Leptonen und weiter in den gemischten leptonischen Endzustand, Φ→τ⁺τ⁻→eμ+4υ. Die untersuchten Massenrekonstruktionsmethoden sind die sichtbare Masse, die effektive Masse, sowie die früh- und spät-projizierte transversale Masse. Weiterhin werden Abhängigkeiten der Massenverteilungen vom transversalen Impuls der Leptonen des Endzustandes, sowie der fehlenden transversalen Energie festgestellt. Eine Abhängigkeit vom transversalen Impuls des energiereichsten Jets hingegen konnte nicht nachgewiesen werden. Eine mögliche Eliminierung der Variablenabhängigkeiten wird untersucht, zeigt jedoch dass sie zu einer schlechteren Trennung zwischen Signal und Untergrundprozessen sowie einer schlechteren Auflösung unterschiedlicher Higgs Boson Massen führt. Mit der Kalibrierung der berechneten Massen der verschiedenen Rekonstruktionstechniken wird die Arbeit abgeschlossen.

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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 %.

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.

In 2010, the Large Hadron Collider (\\lhc{}) at the European Organisation for Nuclear Research (CERN) near Geneva (Switzerland) came into full operation providing proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\\sqrt{s} = \\unit[7]{TeV}$. \\lhc{} data may allow the observation of the Higgs boson, the last unknown building block of the standard model of particle physics (SM). Di-muon final states containing heavy flavour jets pose an irreducible background for searches of the Higgs boson as predicted the SM or theories beyond. They also provide a unique testbed for tests of perturbative Quantum Chromo-Dynamics (pQCD). This thesis provides a measurement of the cross section of events with one di-muon pair with an invariant mass in the \\Z{} mass region and at least one heavy flavour jet. Studies on acceptance and systematic effects of the experimental setup are presented as well as a comparison to theoretical predictions. The total inclusive cross section of \\zbFS{} events was observed as $\\sigma(\\mu^{+}\\mu^{-}+b+X) = \\unit[(4.15 ^{+0.97}_{-0.89} (stat.) ^{+0.45}_{-0.53} (syst.))]{pb} $ from the equivalent of $\\unit[36]{pb^{-1}}$ of data. Agreement with pQCD predictions at next-to leading order (NLO) is found while tensions with leading order (LO) predictions are observed. Further, the cross-section ratio \\RwZ{} with events containing two muons and at least one jet of any origin was measured to $\\mathcal{R} = \\unit[4.6 ^{+1.4}_{-1.2} (stat.) \\pm 0.5 (syst.)]{\\%}$. This is found to agree with NLO and LO calculations within known uncertainties.

Die Suche nach dem Higgs Boson ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt der modernen Teilchenphysik. Zum einen ist das Higgs Boson das einzige bislang unentdeckte Teilchen des Standard Modells. Zum anderen gibt seine mögliche Entdeckung eine bessere Einsicht in die Natur neuer Physik. Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders, LHC, am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf konnten Proton-Proton Kollisionen mit bislang unerreichten Schwerpunktsenergien von √s = 7 TeV beziehungsweise √s = 8 TeV erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird die Messung des Wechselwirkungsquerschnitts pp→Z/γ→τ⁺τ⁻ im gemischten leptonischen Endzustand mit Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Der Zerfall der kohärenten Summe aus Photon, γ, und Z Boson in zwei τ -Leptonen ist ein irreduzibler Untergrund von Higgs Boson Zerfällen in zwei τ -Leptonen. Eine genaue Kenntniss des Massenspektrums sowie dessen Normierung ist deswegen für die Higgs Boson Suche essentiell. Die verwendeten Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von L = 35,51 pb⁻¹ bei einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 TeV. Die Messung erzielt einen Wechselwirkungsquerschnitt von σ×BR(Z→ττ ) = (1041 ± 143 ± 74 ± 35) pb. Die angegebenen Unsicherheiten entsprechen den statistischen, den systematischen und den Unsicherheiten aus Luminositätsmessungen. Das Ergebnis stimmt mit dem theoretisch bestimmten Wert sowie dem Ergebnis anderer Experimente innerhalb seiner Unsicherheiten überein. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Massenrekonstruktionsmethoden von Zerfällen in zwei τ-Leptonen untersucht. Die Analyse konzentriert sich dabei auf Higgs Bosonen, der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standard Modells; insbesondere auf deren Zerfall in zwei τ-Leptonen und weiter in den gemischten leptonischen Endzustand, Φ→τ⁺τ⁻→eμ+4υ. Die untersuchten Massenrekonstruktionsmethoden sind die sichtbare Masse, die effektive Masse, sowie die früh- und spät-projizierte transversale Masse. Weiterhin werden Abhängigkeiten der Massenverteilungen vom transversalen Impuls der Leptonen des Endzustandes, sowie der fehlenden transversalen Energie festgestellt. Eine Abhängigkeit vom transversalen Impuls des energiereichsten Jets hingegen konnte nicht nachgewiesen werden. Eine mögliche Eliminierung der Variablenabhängigkeiten wird untersucht, zeigt jedoch dass sie zu einer schlechteren Trennung zwischen Signal und Untergrundprozessen sowie einer schlechteren Auflösung unterschiedlicher Higgs Boson Massen führt. Mit der Kalibrierung der berechneten Massen der verschiedenen Rekonstruktionstechniken wird die Arbeit abgeschlossen.

This thesis concerns with numerical methods for a theoretical description of high energy particle scattering experiments. It focuses on fixed order perturbative calculations, i.e. on matrix elements and scattering cross sections at leading and next-to-leading order. For the leading order a number of algorithms for the matrix element generation and the numeric integration over the phase space are studied and implemented in a computer code, which allows to push the current limits on the complexity of the final state and the precision. For next-to-leading order calculations necessary steps towards a fully automated treatment are performed. A subtraction method that allows a process independent regularization of the divergent virtual and real corrections is implemented, and a new approach for a semi-numerically evaluation of one-loop amplitudes is investigated.