Title: Measurement of the top quark properties Author: Mgr. Jaroslava Schovancová Department: Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Re- public Supervisor: RNDr. Jiří Chudoba, Ph.D., Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: This Thesis presents the ATLAS experiment measurement of the top quark differential cross-section as a function of pT, mass and rapidity of the t¯t system. A sample of approx. 4.7 fb−1 of the 2011 pp collision data at the center-of-mass energy of 7 TeV was analyzed. The differential spectra shapes in the t¯t system are consistent with the Standard Model and reason- ably described by the event generators. Several activities in the scope of ATLAS Distributed Computing are pre- sented, particularly in the area of operations, monitoring, automation, and development of the PanDA Workload Management System. Such activities aim to improve efficiency and facilitate the use of distributed computing re- sources and therefore contribute in supporting the ATLAS Physics Program. Keywords: ATLAS, top quark, differential cross-section, missing transverse energy, ATLAS Distributed Computing

The coupling of the Standard Model top quark to the Higgs boson is O(1), which leads to large quantum corrections in the perturbative expansion of the Higgs boson mass. Possible solutions to this so-called naturalness problem include supersymmetric models with gluinos and stop squarks whose masses are at the electroweak scale, O(1 TeV). If supersymmetry is realised in nature at this scale, these particles are expected to be accessible with the Large Hadron Collider at CERN. A search for gluino pair production with decays mediated by stop- and sbottom-squark loops in the initial 14.8 ifb of the ATLAS run 2 dataset is presented in terms of a pair of simplified models, which targets extreme regions of phase space using jet substructure techniques. No excess is observed and limits are set which greatly extend the previous exclusion region of this search, up to 1.9 TeV (1.95 TeV) for gluinos decaying through light stop (sbottom) squarks to the lightest neutralinos. A performance study of top tagging algorithms in the 20.3 ifb 2012 dataset is also presented, which includes the first measurements of substructure-based top tagging efficiencies and fake rates published by ATLAS, as well as a detailed comparison of tagger performance in simulation. A benchmarking study which compares commercially available cloud computing platforms for applications in High Energy Physics, and a summary of ATLAS liquid argon calorimeter data quality work focused on monitoring and characterising the sporadic phenomena of Mini Noise-Bursts in the electromagnetic barrel calorimeter are also included. / Graduate / 0798 / matt.leblanc@cern.ch

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les particules elementaires et leurs interactions avec une grande précision. Il décrit trois des quatre interactions fondamentales connues entre les particules elementaires : les interactions faibles, fortes et électromagnétiques. Le Modèle standard fournit aussi une description précise des interactions électrofaibles jusqu’à des échelles d’énergie qui ont été étudies dans les expériences de physique de haute énergie. Les interactions ainsi que les désintégrations d'un grand nombre de particules découvert et observe tout au long des expériences différentes dans les 50 dernières années sont également décrites. En dépit de son succès, le Modèle Standard est loin d’être une théorie complète des interactions fondamentales car il n’intègre pas la théorie complète de la gravitation telle que décrite par la relativité générale, ni la prédiction de l’accélération de l'expansion de l'univers (qui pourrait être décrite par l’énergie noire). La théorie ne contient aucune particule de matière noire viable qui possède toutes les propriétés déduites de la cosmologie observationnelle. Également, elle ne prend pas en compte les oscillations de neutrinos (et leurs masses non nulles). On pense que la nouvelle physique doit exister conduisant a de nouvelles particules et phénomènes. L’échelle a laquelle cette nouvelle physique devrait apparaıtre n'est pas bien connue, cependant plusieurs arguments soulignent l’échelle du TeV et nécessitent une très haute énergie et des puissants collisionneurs de hadrons. Le Large Hadron Collider (LHC) est le plus grand accélérateur et collisionneur de particules existant. / The Standard Model of particle physics is very successful in describing elementary particles and their interactions with a great precision. It describes three of the four known fundamental interactions between elementary particles : the weak, the strong and the electromagnetic interactions. The Standard Model also provides an accurate description of the electroweak interactions up to energy scales that have been explored in high energy physics experiments. The interaction and decay of a large number of particles discovered and observed throughout different experiments in the last 50 years are also described. Despite its great success, the Standard Model falls short of being a complete theory of fundamental interactions because it does not incorporate the full theory of gravitation as described by general relativity, or predict the accelerating expansion of the universe (as possibly described by dark energy). The theory does not contain any viable dark matter particle that possesses all of the required properties deduced from observational cosmology. It also does not account for neutrino oscillations (and their non-zero masses). It is thought that new physics should exist leading to new particles and phenomena. The scale at which this new physics should appear is not well known, though several arguments point to the TeV scale and require a very high energy and powerful hadron collider. The Large Hadron Collider (LHC) is the biggest existing particle accelerator and collider. It is designed to provide proton-proton collisions with an unprecedented center-of-mass energy of 14 TeV, with instantaneous luminosities up to 10^{34} cm−2s−1.

L'hypothèse d'une quatrième famille de fermions –les particules de matière décrites au sein du Modèle Standard (MS) de la physique des particules– est un des plus simples modèles de nouvelle physique encore non exclu et accessible au démarrage du LHC – le plus puissant collisionneur hadronique au monde depuis 2009. Cette thèse s'intéresse à la production d'une paire de quarks t' se désintégrant chacun via Wb. La recherche se focalise sur le domaine des très hautes masses, où la production peut être distinguée de la production de bruit de fond d'une paire de quark top en exploitant la cinématique des produits de désintégration des collisions p-p produites au centre du détecteur ATLAS. Nous présentons une stratégie originale exploitant la collimation des produits de la désintégration des bosons W de grande impulsion transverse, permettant leur reconstruction explicite. L'analyse s'appuie sur un travail de mise en oeuvre des algorithmes d'identification des jets résultants de la fragmentation des quarks de saveur b. L'étiquetage-b permet à l'expérience ATLAS d'améliorer la (re)découverte du MS, et la sensibilité à la nouvelle physique. Il sera ainsi d'une grande importance pour les futures années d'opération du LHC, raison pour laquelle nous présentons une étude de prospective de ses performances attendues avec l'extension du détecteur à pixels d'ATLAS dénommée IBL. Notre recherche de quark t' a permis d'établir une limite inférieure à la masse du quark t' de 656 GeV à partir des 4.7 fb^−1 de données 7 TeV collectées en 2011, ce qui est la meilleure limite à ce jour en recherche directe, avec également une interprétation dans le cadre du modèle de quarks dits vecteurs. / The hypothesis of a fourth generation of fermions – the matter particles described in the Standard Model (SM) of particle physics – is one of the simplest model of new physics still not excluded and accessible at the start of the Large Hadron Collider (LHC) – the world most powerful hadron collider since 2009. We search for the pair production of up-type t' quarks decaying to a W boson and a b-quark. The search is optimized for the high quark mass regime, for which the production can be distinguished from the top background by exploiting kinematic features of the decay products arising from the proton-proton collisions occurring at the center of the ATLAS detector. We present a novel search strategy reconstructing explicitly very high-pT W bosons from their collimated decay products. The analysis benefits from the commissioning of algorithms intended to identify jets stemming from the fragmentation of b-quarks. These algorithms are based on the precise reconstruction of the trajectory of charged particles, vertices of primary interaction and secondary vertices in jets. The b-tagging ability allows for ATLAS to improve the (re)discovery of the SM, and the sensibility to new physics. It will hence play an important role in the future of the LHC, the reason why we study the expected performance with an upgrade of the ATLAS pixel detector, called IBL and currently under construction. Our search of t' quark, using 4.7 fb^−1 of the 7 TeV data collected in 2011, has resulted in the world most stringent limit, excluding t' masses below 656 GeV, with also an interpretation in the framework of vector-like quarks.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

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). / Two high energy particle physics analyses are presented in this PhD report using events with two leptons oppositely charged and with missing transverse energy. These events are selected using 9.7 fb-1 of total pp collisions data collected with the DØ detector at the TeVatron at √s=1.96 TeV.The first analysis is the research of the Higgs boson decaying in the H→WW→μνμν channel. No significant excess above the background prediction is observed.Upper limits on Higgs boson production cross-section are computed in the standard model framework but also in the 4th generation of fermions and in the fermiophobic coupling to Higgs boson hypotheses. In order to validate the research methodology, the W boson pair production cross-section is measured.The second analysis is the measurement of the forward-backward asymmetry of the tt pair production. This is the first measurement in the dileptonic channel at DØ experiment. In this context, a new tt pair kinematic reconstruction is used (matrix element method) to give a raw measurement of the forward-backward asymmetry. Thanks to a dedicated calibration method, we give a final measurement of AFB=18.0 ± 6.0 (stat) ± 3.3 (syst).

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Le sujet de cette thèse est « L’étude dans le canal avec deux leptons de même signe de la physique du top au-delà du Modèle Standard avec le détecteur ATLAS au LHC et l’étude du niveau de déclenchement L1 du calorimètre ». Cette thèse porte sur la recherche de processus de nouvelle physique au LHC faisant jouer au quark top un rôle particulier. Le LHC est un collisionneur de protons, conçu pour un fonctionnement nominal avec une énergie dans le centre de masse de 14 TeV. Jusqu’à fin 2011 il a fonctionné avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse. Les premières données recueillies (5 fb−1 à 7 TeV) nous ont permis de contraindre certains paramètres de la nouvelle physique recherchée. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse. Celle-ci est divisée en trois parties. La première décrit rapidement l’accélérateur avant de s’intéresser à l’expérience ATLAS et au fonctionnement de son détecteur. Le bon fonctionnement des cartes de sommation du signal du calorimètre électromagnétique pour le premier niveau de déclenchement des événements a été tout particulièrement étudié. La deuxième partie est une analyse phénoménologique de la physique au-delà du Modèle Standard avec quatre quarks top dans l’état final pour plusieurs modèles théoriques. Cette étude a été effectuée principalement au niveau générateur pour 14 TeV dans le centre de masse mais nous commentons également les perspectives à 7 TeV. Elle peut être appliquée à l’expérience ATLAS comme à l’expérience CMS. La troisième partie est une étude expérimentale, réalisée avec le détecteur ATLAS, recherchant des manifestations d’un modèle de Higgs composite prédisant l’existence de partenaires exotiques au quark top (T5/3) et d’un modèle de théorie effective de production des 4 tops. Une limite sur la masse du partenaire exotique a été obtenue ainsi qu’une limite sur la section efficace des événements exotiques à quatre tops. / The subject of this thesis is the « Study in the two same sign leptons channel of top Beyond Standard Model Physics with the ATLAS detector at the LHC and the study of the L1 Calo Trigger ». The central subject of this thesis is the search for new physics in which the top quark plays a crucial role. The LHC is a proton collider, designed for a nominal operation with 14TeV. in the center of mass. Until december 2011 it worked with an energy of 7 TeV in the center of mass. The first 5 fb−1 of collected data allowed us to constrain some parameters of the new physics processes presented in this thesis. The document is divided into three parts : the first one describes briefly the LHC accelerator before presenting the ATLAS experiment and operation of the detector. The Tower Builder Boards for the electromagnetic level one trigger are especially studied. The second part is a phenomenological analysis of physics beyond the Standard Model with four top quarks in the final state. This analysis is presented for several theoretical models. This study was performed mainly at the generator level for 14 TeV in the center of mass but we also comments on prospects at 7 TeV. It can be applied to both ATLAS and CMS experiments. The third part is an experimental study, performed with the ATLAS detector, searching for two exotic processes with two same signe leptons in the final state (T5/3 and four tops production). A limit on the mass of the top partner T5/3 has been obtained as well as a limit on the cross section of exotic events with four tops.

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV. / The main goal of this thesis is to provide a measurement as accurate as possible of the top quark mass in the semi-leptonic decay channel. This experimental measurement is made thanks to the ATLAS detector near LHC, a proton-proton collider. The main interests for this precison measurement are the physics constraints to the theoretical models of fundamental constituents. Besides, the top quark mass is a parameter allowing to have more information on the vacuum stability at the Planck scale within the Standard Model. Jet energy calibration is crucial to this measurement. The impact of real data taking conditions on this calibration and on jet performance is detailed. The top quark mass measurement using 2011 data collected at an energy in the center-of-mass of 7 TeV is presented. It is using a tridimensional template analysis method. The measured top quark mass is: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. The 2012 data collected at an energy in the center-of-mass of 8 TeV are also analysed, and a preliminary result for the top quark mass is provided: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, the combination of both measurements being the most accurate result of this thesis: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

<p>This thesis treats two different projects, both aiming at experimental tests at hadron colliders of some specific predictions of the Standard Model (SM) of particle physics and of its Minimal Supersymmetric extension (MSSM). The thesis is based on four papers.</p><p>Papers I-III study the discovery potential for a heavy charged Higgs boson of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). Charged Higgs bosons are part of the Higgs sector in many extensions to the SM and their detection would be an unambiguous sign of new physics.</p><p>If the charged Higgs boson is heavier than the top quark, its dominant decay mode is into a top and a bottom quark. Searches in this decay channel at ATLAS are difficult mainly due to the large top-quark pair-production background. The possible gain obtained when requiring 4 b-tagged jets for the signal events is studied, but no significant improvement compared to an analysis requiring 3 b-tagged jets is found.</p><p>If the masses of supersymmetric particles are sufficiently small, heavy charged Higgs bosons can decay into a chargino-neutralino pair. We show that in this decay channel charged Higgs bosons can be detected, given a favourable choice of parameters governing the MSSM.</p><p>In a large-mass-splitting MSSM scenario, the charged Higgs decay into a W boson and a neutral Higgs can have a large branching fraction. We conclude, however, that charged Higgs searches in this decay channel are made difficult by a large, irreducible SM background.</p><p>Paper IV describes a measurement of the top-quark pair production cross-section performed with the DØ detector at the Tevatron collider. Signal events in the muon+jets decay channel are selected using topological event characteristics and a preliminary result of σ(ttbar)=3.8 +1.1-1.1(stat) +0.9-0.8(syst) +0.3-0.2(lumi) pb is obtained using an integrated luminosity of 363/pb.</p>