This thesis presents the search for New Physics in events with four top quarks using the data collected in proton-proton collisions by the ATLAS experiment at the LHC. The dataset corresponds to the one taken during all 2011 at √s = 7 TeV and a part of 2012 at √s = 8 TeV. The analysis focuses on a final state with two leptons (electrons and muons) with the same electric charge. This signature is experimentally favored since the presence of two same-sign leptons in the final state allows to reduce the background coming from Standard Model (SM) processes. The results are interpreted in the context of a low energy effective field theory, which assumes that New Physics at low energy can manifest itself as a four right-handed top contact interaction. In this context, this analysis allows testing a class of beyond-the-SM (BSM) theories which at low energy can manifest in this way. Backgrounds to this search have been estimated using simulated samples and data-driven techniques. Different sources of systematic uncertainties have been also considered. The final selection of events has been optimized by aiming at minimizing the expected upper limit on the four tops production cross-section in case of no signal events found. The signal region is then analyzed by looking for an excess of events with respect to the predicted background. No excess of events has been observed, and the observed upper limit on the four tops production cross-section has been computed. This limit is then translated to an upper limit on the coupling strength C=2 of the model. An upper limit on the four tops production cross-section in the SM has been also computed in the analysis performed at √s = 8 TeV. In addition to the physics analysis of the four tops signal, some studies about the LASER calibration system of the ATLAS Tile calorimeter are presented. In particular, they are related to the photodiodes system used to measure the intensity of the laser light in the LASER system.

Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire le comportement des particules et leurs interactions. L’une d’elles, le quark top, est la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété lui confère un rôle privilégié dans les théories dites de Nouvelle Physique, il pourrait se coupler préférentiellement aux nouvelles particules prédites par ces modèles.Cette thèse a été menée auprès du détecteur ATLAS installé au LHC. La première partie de ce travail a porté sur l’étalonnage du calorimètre hadronique, une partie du détecteur servant entre autres à mesurer l’énergie des hadrons produits lors des collisions. Ce calorimètre est étalonné grâce à un système laser, qui envoie des pulses de lumière dans les 9852 canaux du calorimètre. Cette étude a permis de corriger les canaux dont le gain dérive en appliquant des facteurs correctifs aux données. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la recherche d’évènements à deux quarks top de même charge. La topologie avec deux leptons de même charge permet d’avoir une signature claire et présente peu de bruits de fond prédits par le Modèle Standard. Deux versions de l’analyse sont présentées : l’une avec une partie des données enregistrées par ATLAS en 2012, la deuxième plus optimisée avec le lot complet de données de 2012. Ces optimisations ont améliorées d’un facteur 3 la sensibilité sur le signal. N’ayant pas observé d’excès dans les données, une limite sur la section efficace de production d’évènements à deux quarks top de même charge a été calculée dans le cadre de deux modèles effectifs. / The Standard Model of particle physics is used to describe the behavior of the particles and their interactions. One of them, the top quark, is the heaviest elementary particle. This property gives it a favored role in the New Physics theories, it could interact preferentially with new particles predicted by these models.This thesis was performed using the ATLAS detector at LHC. The first part of this work was on the calibration of the ATLAS hadronic calorimeter, part of the detector which is used to measure the energy of the hadrons produced during the collisions. The hadronic calorimeter is calibrated with a laser system, which sends pulses to the 9852 calorimeter’s channels. With this study, drifting channels were corrected by applying correction factors on the data.The second part of this thesis was dedicated to the search of events with two same-sign top quarks. The topology with a same-sign dilepton pair is used to have a clear signature and show only a few Standard Model backgroud processes. Two versions of this analysis are discussed : one of them with a part of the data collected in 2012 and the other one, with a lot of optimizations and with the complete dataset of 2012. These optimizations permits to improve the sensitivity of the signal by a factor 3. Without any excess observed in the data events, it is possible to calculate a limit on the cross section of the same-sign top quarks pair and interpreted in the case of two effective models.

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.

La première partie de cette thèse est dédiée à l’extraction des corrections de l’échelle en énergie des jets dans l’expérience CMS du LHC. Les diverses méthodes d’extraction sont détaillées, en insistant tout particulièrement sur l’utilisation des événements photon + jets. Les corrections ainsi extraites sont primordiales pour les analyses de physique utilisant des jets, et sont d’ores et déjà utilisées par toute la collaboration.La deuxième partie présente la recherche de physique au-delà du Modèle Standard dans le secteur du quark top. De nombreux modèles de nouvelle physique prédisent en effet de nouvelles particules, pouvant se manifester comme des résonances dans le spectre de masse top-antitop. Deux analyses sont présentées dans cette thèse, une dédiée à la recherche des résonances de spin 1 et une dédiée à la recherche de résonances de spin 0, où les phénomènes d’interférences avec le Modèle Standard sont pris en compte / The first part of this thesis is dedicated to the extraction of jet energy scale corrections for the CMS experiment at the LHC. Various extraction methods are described, with a particular interest on corrections extraction using photon + jets events. These corrections are necessary for all analyses using jets and are already used by the whole collaboration. The second part presents the searches for new physics beyond the Standard Model. Many models of new physics predict new particles with enhanced coupling to the top quark, which can show up as resonances in the top-antitop invariant mass spectrum. Two separate analyses are described in this thesis, one dedicated to the search of spin 1 resonances and one dedicated to the search of spin 0 resonances, where interference effects with the Standard Model production are taken into account

The analysis presented in this thesis focuses on two methods developed to estimate, from data, the multi-jet and the V+jets background processes for top quark pair production occuring during proton-proton at LHC. Top quark paires are reconstructed using the CMS detector, exploiting the semi-leptonic decay channel. Both methods have been developed and studied using Monte-Carlo simulated data. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse a pour but la recherche de Nouvelle Physique dans les événements à quatre quarks top en utilisant les données collectées dans les collisions proton-proton par l'expérience ATLAS au LHC. L'ensemble des données correspond à celui enregistré pendant tout 2011 à √s = 7 TeV et une partie de l'année 2012 à √s = 8 TeV. L'analyse est concentrée sur un état final avec deux leptons (des électrons et des muons) avec la même charge électrique. Cette signature est expérimentalement privilégiée puisque la présence de deux leptons avec le même signe dans l'état final permet de réduire le bruit du fond qui vient des processus du Modèle Standard. Les résultats sont interprétés dans le contexte d'une théorie effective à basse énergie, qui suppose que la Nouvelle Physique peut se manifester à basse énergie comme une interaction de contact à quatre tops droits. Dans ce contexte, cette analyse permet de prouver un type de théorie au delà du Modèle Standard qui, à basse énergie, peut se manifester de cette manière. Les bruits du fond pour cette recherche ont été estimés en utilisant des échantillons simulés et des techniques axées sur les données. Différentes sources d'incertitudes systématiques ont été considérées. La sélection finale des événements a été optimisée en visant à minimiser la limite supérieure attendue sur la section efficace de production des quatre tops si aucun événement de signal n'est trouvé. La région du signal a été ensuite examinée à la recherche d'un excès d'événement en comparaison avec le bruit du fond prévu. Aucun excès d'événement n'a été observé, et la limite supérieure observée sur la section efficace de production de quatre quarks top a été calculée. Ceci a permis de calculer la limite supérieure sur la constante de couplage C=2 du modèle. Une limite supérieure sur la section efficace de production de quatre tops dans le Modèle Standard a été aussi calculée dans l'analyse a √s = 8 TeV. En plus de l'analyse physique du signal de quatre tops, des études concernant le système d'étalonnage LASER du calorimètre Tile ont été présentées. Ces études sont liées au système des photodiodes utilisé pour mesurer l'intensité de la lumière dans le système LASER. / This thesis presents the search for New Physics in events with four top quarks using the data collected in proton-proton collisions by the ATLAS experiment at the LHC. The dataset corresponds to the one taken during all 2011 at √s = 7 TeV and a part of 2012 at √s = 8 TeV. The analysis focuses on a final state with two leptons (electrons and muons) with the same electric charge. This signature is experimentally favored since the presence of two same-sign leptons in the final state allows to reduce the background coming from Standard Model (SM) processes. The results are interpreted in the context of a low energy effective field theory, which assumes that New Physics at low energy can manifest itself as a four right-handed top contact interaction. In this context, this analysis allows testing a class of beyond-the-SM (BSM) theories which at low energy can manifest in this way. Backgrounds to this search have been estimated using simulated samples and data-driven techniques. Different sources of systematic uncertainties have been also considered. The final selection of events has been optimized by aiming at minimizing the expected upper limit on the four tops production cross-section in case of no signal events found. The signal region is then analyzed by looking for an excess of events with respect to the predicted background. No excess of events has been observed, and the observed upper limit on the four tops production cross-section has been computed. This limit is then translated to an upper limit on the coupling strength C=2 of the model. An upper limit on the four tops production cross-section in the SM has been also computed in the analysis performed at √s = 8 TeV. In addition to the physics analysis of the four tops signal, some studies about the LASER calibration system of the ATLAS Tile calorimeter are presented. In particular, they are related to the photodiodes system used to measure the intensity of the laser light in the LASER system.

Les travaux présentés dans cette thèse ciblent la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard dans le cadre des modèles composites, lesquels font intervenir des secteurs fortement couplés à l'échelle du TeV comprenant des particules exotiques. Leur existence peut être testée auprès du collisionneur proton-proton LHC situé au CERN, grâce au détecteur ATLAS. La production d'un quark lourd, comme le T5/3, prédit dans ces modèles, peut être déduite d'une section efficace anormalement élevée d'une signature spécifique. Certains états finaux, comme celui étudié dans cette thèse impliquant 2 leptons de même signe, étant très rares, possèdent une excellente sensibilité. Les recherches des processus de création du T5/3 au LHC en utilisant les données d'ATLAS à 8 et 13 TeV sont présentées. Un léger excès a été observé à 8 TeV. Des résultats préliminaires de l'analyse à 13 TeV sont présentés et ne montrent pas d'excès. Les limites inférieures en masse sur cette particule hypothétique sont de 745 GeV à 8 TeV et de 990 GeV à 13 TeV. Les modèles composites prévoient aussi l'existence de bosons lourds comme par exemple un Z' topophile qui ne se couplerait qu'aux quarks top et dont la production en association d'une paire tt donnerait un état final similaire aux événements à 4 quarks top. Une étude phénoménologique sur le potentiel de découverte de ces processus exotiques (Z' et théorie effective) ou standard (tttt) à 13 et 14 TeV est effectuée et donne les luminosités minimales nécessaires pour pouvoir observer des déviations au Modèle Standard. Une étude instrumentale d'une nouvelle carte de déclenchement de niveau 1 du calorimètre électromagnétique est aussi décrite en prévision de la phase d'Upgrade du détecteur. / The work of this thesis focuses on the search for new physics beyond the Standard Model in the compositeness framework, which postulates strongly coupled sectors at the TeV-scale consisting of exotic particles. Their existence can be tested at the CERN proton-proton collider, the LHC, using the ATLAS detector. The production of an heavy quark, such as the T5/3 predicted in those models, can be inferred from an enhancement of the cross-section of a given signature. Some final states, such as the one studied in this thesis involving 2 same-sign leptons, are very rare and have an excellent sensitivity. Searches for T5/3 production at the LHC using 8 and 13 TeV ATLAS data are presented. A small excess is seen at 8 TeV. Preliminary results of the 13 TeV analysis are presented and do not show any excess. The inferior limits put on the T5/3 mass is 745 GeV at 8 TeV and 990 GeV at 13 TeV. Composite models include also heavy bosons such as top-philic Z' coupled only to the top quark whose production in association to a top quark pair gives a final state similar to those from 4 tops events. A phenomenological study on the discovery potential of those exotic (Z' and effective theory) or standard (tttt) processes at 13 and 14 TeV is done and gives the minimal luminosities needed to observe deviations from the Standard Model. An instrumental study for the conception of the new LTDB card, part of the electromagnetic calorimeter's level 1 trigger system is described in the context of the ATLAS upgrade program.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.

Title: Electroweak symmetry breaking by dynamically generated masses of quarks and leptons Author: Adam Smetana Department: Institute of Particle and Nuclear Physics, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University Supervisor: Ing. Jiří Hošek, DrSc., Department of Theoretical Physics, Nuclear Physics Institute, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: The aim of the thesis is to study models of the electroweak symmetry breaking caused by dynamically generated masses of quarks and lep- tons. (1) We perform the basic analysis whether the main underlying idea, that the masses of only known fermions can provide the elec- troweak symmetry breaking, is actually feasible. For that we elaborate a two-composite-Higgs-doublet model of the top-quark and neutrino condensation. The model suggests rather large number, O(100), of right-handed neutrinos. (2) We analyze the model of strong Yukawa dynamics where the dynamical fermion mass generation is provided by exchanges of new elementary massive complex doublet scalar fields. We focus on solving the coupled Schwinger-Dyson equations for fermion and scalar self-energies by means of approximative methods. We doc- ument that strongly hierarchical mass spectra can be reproduced. (3) We elaborate the flavor gauge model where the dynamical fermion mass...

(...) Le travail de recherche exposé dans cette thèse a été réalisé en utilisant les données collectées par le détecteur ATLAS auprès du LHC. Le LHC est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant jamais construit. Il est constitué d'un double anneau de stockage de protons. Environ 10000 physiciens et ingénieurs du monde entier participent à cette expérience en développant de nouvelles techniques et approches pour identifier les événements intéressants cachés dans l'environnement complexe produit dans des collisions proton-proton. Les premières collisions proton-proton ont eu lieu à la fin de l'année 2009 à une énergie de 900~GeV dans le système du centre de masse. Le 19 Mars 2010, le LHC a battu un record en augmentant l'énergie des faisceaux à 3.5 TeV, et les premières collisions à 7 TeV ont été enregistrées le 30 Mars 2010. L'énergie par faisceau pour l'ensemble de 2011 était de 3.5 TeV, et 4 TeV en 2012. Un an d'arrêt technique est prévu en 2013 avant de parvenir à l'énergie nominale de collision de 14 TeV. Quatre expériences se partagent les quatre points de croisement des faisceaux du grand anneau du LHC. Une d'entre elles, ATLAS, est un détecteur généraliste avec un vaste programme de physique. ATLAS est constitué d'un détecteur interne de traces dans un champ magnétique de 2 T, offrant une couverture jusqu'à |η|<2.5, un système calorimétrique allant jusqu'à |η|<4.9, un spectromètre à muons dans un champ magnétique toroïdal et un système de déclenchement composé de trois niveaux. Tous les sous-systèmes ont d'excellentes performances en termes d'efficacité et de résolution. Cette thèse comprend trois travaux interconnectés. En premier lieu, elle décrit les résultats de la recherche de nouvelles résonances qui se désintègrent en paires tt en utilisant les premiers 2.05 fb-1 de données collectées par le détecteur ATLAS en 2011. Dans une deuxième partie, en connection avec cette recherche, des études de performance de Jet Vertex Fraction (JVF) en utilisant des événements tt sont également présentées. JVF est une variable qui peut être utilisée pour réduire les effets d'empilement afin d'améliorer la précision et la sensibilité des analyses de physique à haute luminosité. Finalement, les performances de la calibration Globale Séquentielle des jets, sa validation sur des données réelles et l'évaluation de l'incertitude systématique qui lui est associée seront aussi discutées. La détermination précise de l'échelle en énergie des jets (JES: acronyme de Jet Energy Scale) ainsi que l'obtention d'une résolution optimale sont extrêmement importantes pour de nombreuses analyses de physique au LHC. Cela est vrai en particulier pour la recherche de nouvelles résonances tt en raison de la présence de jets dans l'état final. Les résultats sont présentés dans l'ordre dans lequel ils ont été réalisés au cours de cette thèse. (...) / (...) The studies presented in this thesis were performed using data collected by the ATLAS detector at the LHC. The LHC is the largest and highest energy particle accelerator ever built. Around 10000 physicists and engineers around the world are taking part in this experience by developing new techniques and approaches to identify the interesting physics buried in the complex environment produced in the LHC pp collisions. The LHC produced its first pp collisions on November 23, 2009 at the injection energy of 450 GeV. On March 19, 2010 the LHC broke a record by raising the beam energy to 3.5 TeV, and the first pp collisions at 7 TeV were recorded on March 30, 2010. The beam energy for the whole 2011 year was 3.5 TeV per beam, while in 2012 the beam energy is 4 TeV. At the beginning of 2013 the LHC will go into a long shutdown to prepare for higher energy collisions starting in 2014. At the four collision points of the LHC, detectors have been placed to study the high-energy collisions. One of these detectors, ATLAS, a general purpose detector with an extensive initial physics program. The ATLAS detector consists of a tracking system in a 2 T solenoid field, providing coverage up to a pseudo-rapidity of |η|<2.5, sampling electromagnetic and hadronic calorimeters up to |η|<4.9, muon chambers in a toroidal magnetic field and a trigger system consisting of three levels of event selection. So far, the ATLAS sub-detectors have shown an excellent performance in terms of efficiency and resolution. This thesis contains three different analyses interconnected. The main one concerns the results of the search for new resonances that decay to top-quark pairs using the first 2.05 fb-1 of data collected by the ATLAS detector in 2011. Secondly and related to this search, performance studies of the Jet Vertex Fraction (JVF) in top-quark pairs topologies are presented too. JVF is a variable that can be used to reduce the pile-up effects to improve the precision and sensitivity of physics analyses at high luminosities. Finally, results regarding the performance, validation in data and associated systematic uncertainty derivation of the Global Sequential (GS) jet calibration are discussed. The determination of the jet energy scale and the achievement of the optimal jet performance is of key importance to many LHC physics analyses, specially to the main analysis of this thesis due to the presence of jets in the final state. The results are presented in order that they were performed during the thesis.