Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation von hochenergetischen Hadron-Kollisionsexperimenten, wie sie im Moment am Tevatron (Fermilab) durchgeführt werden und in naher Zukunft am Large Hadron Collider (LHC) am CERN zu erwarten sind. Für die Beschreibung dieser Experimente wird ein Algorithmus untersucht, der es ermöglicht, exakte Multijet-Matrixelemente auf Baumgraphenniveau in die Simulation einzubeziehen und so die Qualität der Vorhersage deutlich zu verbessern. Die Implementierung dieses Algorithmus in den Eventgenerator "SHERPA" und die Erweiterung des Parton Showers in diesem Programm ist das Hauptthema dieser Arbeit. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten und mit anderen Simulationen verglichen. / This work deals with the accurate simulation of high energy hadron-hadron-collision experiments, as they are currently performed at Fermilab Tevatron or as they are expected at the Large Hadron Collider at CERN. For a precise description of these experiments an algorithm is investigated, which enables the inclusion of exact multi-jet matrix elements in the simulation. The implementation of this algorithm in the event generator "SHERPA" and the extension of its parton shower is the main topic of this work. The results are compared with those of other simulation programs and with experimental data.

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

Deux analyses de physique des particules à hautes énergies sont présentées dans ce manuscrit de thèse, utilisant des événements avec deux leptons de charges opposées et de l'énergie transverse manquante. Ces événements sont sélectionnés parmi 9.7 fb-1 de données totales de collisions pp enregistrées par le détecteur DØ auprès du collisionneur TeVatron du Fermilab à √s=1.96 TeV.La première analyse est la recherche du boson de Higgs se désintégrant en H→WW→μνμν. Aucun excès significatif au-dessus de l'attente pour le bruit de fond n'est observé.Des limites supérieures sur la section efficace de production du boson de Higgs sont donc calculées dans le cadre du modèle standard mais aussi dans l'hypothèse de l'existence d'une quatrième génération de fermions et dans le contexte de couplages fermiophobiques du boson de Higgs.Pour valider la méthodologie de cette recherche, la section efficace de production de la paire de bosons W est mesurée.La seconde analyse est la mesure de l'asymétrie avant-arrière de production de la paire tt. Il s'agit de la première mesure dans le canal dileptonique de l'expérience DØ. Dans ce contexte, une méthode inédite de reconstruction de la cinématique de la paire est utilisée (méthode des éléments de matrice) pour donner une mesure brute de l'asymétrie avant-arrière. A l'aide d'une méthode de calibration dédiée, nous donnons une mesure finale de AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).

Le monde de l'infiniment petit est le domaine d'étude de la physique des articules. Cette physique s'attache à décrire de façon cohérente la nature et le comportement des particules élémentaires qui constituent la matière. Les accélérateurs (collisionneurs) de particules permettent de repousser toujours plus avant les connaissances dans ce domaine en produisant des particules, inobservables autrement, par le biais de collisions à très haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans cet axe de recherche et s'intéresse à l'étude du quark top qui est la dernière brique de matière découverte et la plus lourde particule élémentaire connue. La propriété étudiée, l'asymétrie de charge des paires de quark top-antitop, a suscité un vif intérêt par le passé (2011) au sein de la communauté du fait de mesures réalisées auprès du collisionneur Tevatron. Ces mesures ont dévoilé des déviations importantes par rapport aux prédictions réalisées dans le cadre du modèle standard de la physique des particules. De nouvelles mesures de l'asymétrie de charge réalisées au Tevatron (auprès du détecteur D0) et au LHC (auprès du détecteur ATLAS) sont présentées dans cette thèse.

Le Modèle Standard est le cadre qui permet de décrire les interactions entre les particules et leur dynamique. Le mécanisme de Higgs est une solution pour introduire naturellement un terme de masse dans la description théorique de ce modèle. Après la rupture spontanée de la symétrie électrofaible, une nouvelle particule scalaire massive est introduite, le boson de Higgs. Comme celui-ci n'a pas encore été découvert, la recherche du boson de Higgs est effectué au Tevatron, qui est un collisionneur pp ̄ à une énergie au centre de masse de 1.96 TeV. Pour MH = 135 GeV, le mode de désintégration dominant est H → bb ̄. L'analyse présentée dans ce document est axée sur le domaine en masse 100 < MH < 150 GeV, dans le canal où le boson de Higgs est produit en association avec un boson W se désintègrant en un lepton chargé (électron ou muon) et un neutrino. L'étude de cet état final repose sur les informations recueillies auprès de toutes les parties du détecteur DØ. Un résultat basé sur 5.3 fb−1 de collisions récoltées durant le RunII du Tevatron est présenté ici. Afin d'augmenter la sensibilité au signal, l'analyse est séparée en sous-canaux en fonction de la saveur du lepton considéré, le nombre de jets dans l'état final, le nombre de jets identifiés comme provenant de quarks b et par périodes de prise de données. Après sélection des événements, une technique d'analyse multivariée est utilisée pour séparer les événements de type signal du bruit de fond physique et instrumental attendu. Comme un bon accord entre les données et simulation est observé, une limite supérieure observée (attendue) de 4.5 (4.8) est placée (pour MH = 115 GeV) sur le rapport entre la section efficace pp ̄ → W H multipliée par le rapport d'embranchement H → bb ̄ et la prédiction du Modèle Standard, à 95% de niveau de confiance. Alors que les dernières données du Tevatron sont en cours d'analyse, les perspectives de recherche au Tevatron sont exposées ici. Les améliorations futures pour la publication finale sur la recherche dans le canal WH → lνbb ̄ sont présentées. La masse invariante dijet étant la variable la plus discriminante, l'amélioration de la résolution du pic de masse est un enjeu important, ainsi que l'optimisation de l'utilisation des outils d'identification de jets de quarks b et du discriminant final. Une amélioration significative est obtenue au niveau de la limite.

Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation von hochenergetischen Hadron-Kollisionsexperimenten, wie sie im Moment am Tevatron (Fermilab) durchgeführt werden und in naher Zukunft am Large Hadron Collider (LHC) am CERN zu erwarten sind. Für die Beschreibung dieser Experimente wird ein Algorithmus untersucht, der es ermöglicht, exakte Multijet-Matrixelemente auf Baumgraphenniveau in die Simulation einzubeziehen und so die Qualität der Vorhersage deutlich zu verbessern. Die Implementierung dieses Algorithmus in den Eventgenerator &amp;quot;SHERPA&amp;quot; und die Erweiterung des Parton Showers in diesem Programm ist das Hauptthema dieser Arbeit. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten und mit anderen Simulationen verglichen. / This work deals with the accurate simulation of high energy hadron-hadron-collision experiments, as they are currently performed at Fermilab Tevatron or as they are expected at the Large Hadron Collider at CERN. For a precise description of these experiments an algorithm is investigated, which enables the inclusion of exact multi-jet matrix elements in the simulation. The implementation of this algorithm in the event generator &amp;quot;SHERPA&amp;quot; and the extension of its parton shower is the main topic of this work. The results are compared with those of other simulation programs and with experimental data.

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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.

This thesis is concerned with experimental investigations of properties of the top quark and processes involving this particle. In the first part of the thesis, the first determination of the electric charge of the top quark is presented. The measurement was made using top quark pair events produced in proton-antiproton collisions recorded by the D0 detector at the Fermilab Tevatron. It is based on the reconstruction of the charge of the top quarks decay products from the dominant decay to a W boson and a b-quark. The method uses a jet charge algorithm, calibrated with data, to discriminate between b- and antib-quark jets. A constrained kinematic fit is also performed to resolve the ambiguities of the pairing of the top quark decay products and to extract the top quark electric charge. The result is in good agreement with the Standard Model top quark electric charge of 2e/3 and an upper limit of 0.8 at 90\% confidence level on the fraction of exotic quarks with charge 4e/3 in the data sample is obtained. The second part of the thesis concerns the estimation of the top quark pair background to searches for new physics, such as supersymmetry, with the ATLAS  experiment at the CERN Large Hadron Collider. These searches will require a robust estimation of standard model backgrounds in order to make any claims of discovery or to exclude models of new physics. For searches with a final state signature characterized by two isolated charged leptons, multiple jets and large missing transverse energy the largest source of background is expected to be top quark pairs with leptonic decay of the two W bosons from the top quarks in the event. A data-driven method to estimate this contribution based on full kinematic reconstruction of the top quark pair events is studied using simulated proton-proton collisions. It is shown that the method is capable of estimating the top quark pair background to within 12% using data corresponding to approximately 1fb-1. The systematic uncertainty is of the order of 20% and, depending on the model, the contamination of signal events can potentially be large. / QC 20100730