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. 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. 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. 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. 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. 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.

La polarisation du quark top produit par interaction électrofaible (single-top) en voie-t permet de tester la structure du vertex Wtb: le couplage vecteur gauche prévu dans le cadre du Modèle Standard (MS), ainsi que les couplages anormaux vecteur ou tenseur introduits par plusieurs théories au-delà du Modèle Standard. Le lot de données correspondant à une luminosité integrée de 4,7 fb-1 recolté dans les collisions proton-proton à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse offre une chance de mesurer la polarisation du quark top. Cette thèse traite de la mesure de la polarisation du quark top grâce à l'étude des distributions angulaires polarisées dans des bases spécifiques avec les événements single-top produits en voie-t. Au début du document, le contexte théorique de production du quark top par interaction forte et électrofaible au LHC est introduit. Ensuite, le détecteur, les performances de reconstruction ainsi que la sélection d'événements avec une signature single-top en voie-t, sont décrits. Les méthodes d' "unfolding" et de "folding" sont présentées et testées avec différentes configurations afin de mesurer la polarisation du quark top. Les résultats obtenus, ainsi que les incertitudes théorique, expérimentales et statistiques, sont examinées. Il s'agit de la première mesure de polarisation du quark top avec le détecteur ATLAS. Les résultats sont compatibles avec les prédictions MS, et contribuent donc à contraindre de maniére significative les couplages anormaux sur le vertex Wtb. / The top quark polarization in electroweak production for single top t-channel allows to test the structure of the Wtb vertex: the left-handed vector coupling of the Standard Model (SM) as well as the anomalous couplings including the right-handed vector, the left-handed tensor and the right-handed tensor couplings. The 4.7 fb-1 data recorded by the ATLAS detector at the LHC with the center of mass energy at 7 TeV in 2011 provides a chance to measure the top polarization. This thesis discusses the measurement of the top polarization by studying the polarized angular distributions in specific bases with t-channel single top events. In the beginning of the thesis, a theoretical context of the top quark production via the strong interaction and the electroweak interaction at the LHC is introduced. Then the detector, the reconstruction performances as well as the event selections with a single top t-channel event signature are described. To measure the top polarization, the unfolding and folding methods are constructed and tested with different configurations. In the end, the measured results are examined with the estimated uncertainties from the theory, the detector response and modeling as well as the statistics. This is the first measurement of the top polarization with the ATLAS detector. The results are compatible with the SM predictions and contribute signicantly to constrain the anomalous couplings in the Wtb vertex

Le modèle standard de la physique des particules, bien qu'étant une réussite incontestable n'explique toujours pas certaines observations, ce qui pourrais indiquer la présence d'une nouvelle physique. L'expérience ATLAS cherche à mettre en évidence ces nouveaux phénomènes en analysant les collisions de protons du LHC.Le prérequis pour toute analyse est d'avoir des données de bonne qualité. La première partie de cette thèse présente donc une étude sur les bouffées de bruit cohérent présentes dans les calorimètres à argon liquide d'ATLAS. Ce bruit a été traité pour garder un haut niveau de qualité des données.La deuxième partie de cette thèse se place dans le cadre de la recherche de nouvelle physique. Une résonance est cherchée dans le spectre en masse invariante des paires de quarks top. L'étude se concentre sur le cas des quarks top boostés se désintégrant de manière électronique. Cette topologie n'ayant jusqu'à présent pas été optimisée par la collaboration ATLAS, le travail de cette thèse a consisté à définir et développer une nouvelle méthode appelée "electron-in-jet removal" permettant d'améliorer la reconstruction des quarks top dans un tel régime.Cette méthode donne accès à des électrons qui auparavant étaient rejetés. Il faut donc mesurer les facteurs correctifs à appliquer pour corriger les imperfections de la simulation de ces électrons. Des mesures préliminaires de facteurs d'échelle d'identification sur les électrons se trouvant dans un jets ont ainsi été menées. Deux méthodes sont présentées ainsi qu'une réflexion sur les perspectives à apporter à ces mesures. / The standard model of particle physics is a very predictive theory, but it still fails to explain some observations and so leads to the idea of the existence of new physics. To discover it experimentally, the ATLAS collaboration analyses the proton-proton collisions provided by the LHC.Analyses need data of good quality. Hence, the first part of this document describes a work to characterize the coherent noise bursts observed in the liquid argon calorimeters of the ATLAS experiment. Such noise has been studied and cured to ensure a high level of data quality.The second part of this thesis takes place in the context of a new physics search using top quark pairs. This study is focused on the case where boosted top quarks decay electronically. The reconstruction of top quarks in such cases was never optimized by the ATLAS collaboration. Therefore this study has lead to the definition and implementation of a new method called "electron-in-jet removal" improving significantly the top quark reconstruction in such topologies.This new method gives access to electrons that were previously removed. The correction factor applied to correct the imperfections of the simulation should then be computed for those electrons. Some preliminary measurements have been performed for the cases where the electron is within a jet. Two methods are presented as well as thoughts about future implementations.

Découvert en 1995 à Fermilab, le quark top est le dernier quark découvert. La mesure de ses propriétés permet de tester les prédictions du Modèle Standard et de contraindre la masse du boson de Higgs. De par ses propriétés, le quark top est aussi un partenaire privilégié dans la recherche de particules de Nouvelle Physique attendues à l'échelle du TeV. Ce travail de thèse, effectué auprès du détecteur ATLAS au LHC, présente les méthodes mises en oeuvre afin de mesurer la masse du quark top dans sa désintégration semileptonique. Différentes méthodes de reconstruction des évènements top sont présentées ainsi qu'une analyse dédiée basée sur les arbres de décision boostés. Ses performances sont quantifiées. La mesure précise de la masse du quark top nécessite une compréhension approfondie de l'échelle en énergie des jets. Deux stratégies sont présentées afin de calibrer les jets légers et les jets issus de quark b à l'échelle partonique. Les performances d'un ajustement cinématique appliqué à la mesure de la masse du quark top sont présentées. Une mesure de la masse du quark top est extraite en utilisant une définition de la masse calibrée à l'échelle partonique. / Discovered in 1995 at Fermilab, top quark is the last quark discovered. The measurement of its properties allows to test Standard Model predictions and to constraint Higgs boson mass. Due to its properties, the top quark is a privileged partner in the search for New Physics particles expected around TeV scale. This thesis, performed using the ATLAS detector at LHC, describes the different methods developed in order to measure precisely the top quark mass in its semileptonic decay. Two reconstruction methods are presented as well as a dedicated one based on Boosted Decision Trees. Its performances are quantified The precise measurement of the top quark mass needs a deep understanding of the jet energy scale. This thesis presents two strategies to calibrate light and b jets to the partonic scale. The performance of a kinematical fit applied to top mass measurement are presented. A precise measurement of the top quark mass is done using a calibrated scale to the partonic level.

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Diese Studie stellt die Messung des Wirkungsquerschnitts der elektroschwachen Einzel-Top-Quark-Produktion im t-Kanal vor, bei der das Top-Quark semileptonisch zerfällt. Die Studie basiert auf 4.7 fb^{-1} an Daten aus Proton-Proton-Kollisionen, die vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider im Jahr 2011 aufgezeichnet wurden. Die ausgewählten Ereignisse beinhalten zwei hochenergetische Jets, von denen einer als von einem b-Quark stammend identifiziert wurde, sowie ein hochenergetisches Elektron oder Myon und fehlende Transversalenergie. Der Fall von drei und vier Jets wird ebenfalls betrachtet, aber schließlich verworfen, da ihre Miteinbeziehung die Präzision des Ergebnisses herabsetzt. Die Ereignisrekonstruktion erfolgt durch einen Chi-Quadrat-basierten kinematischen Fit mit W-Boson- und Top-Quark-Massenzwangsbedingungen. Der Wert des Chi-Quadrat in jedem Ereignis dient dazu, das Ereignis als signal- oder untergrundähnlich zu klassifizieren. Der Wirkungsquerschnitt wird mittels eines template-basierten Maximum-Likelihood-Fits an die Verteilung, die die beste Trennschärfe besitzt, extrahiert: Die Verteilung is derart gewählt, dass die Formunterschiede zwischen Signal und Untergrund bezüglich der Kinematik des typischen leichten Vorwärtsjets des t-Kanals ausgenutzt werden. Eine Beobachtung des Single-Top-t-Kanal-Prozesses mit einer Signifikanz von 5.7 Sigma wird erreicht, und der Wirkungsquerschnitt wird zu 111^{+29}_{-28} pb gemessen. Unter der Annahme |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} sowie einer (V-A)-, CP-erhaltenden Wechselwirkung, und unter Berücksichtigung von möglichen anomalen Kopplungen am W-t-b-Vertex, wird der Wert des entsprechenden CKM-Matrixelements mal einem anomalen Formfaktor zu |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16} bestimmt. Dies führt zu einer unteren Grenze im Standardmodell-Szenario 0 / This study presents the cross-section measurement of electroweak single-top quark production in the t-channel with a semi-leptonically decaying top quark. The study is based on 4.7 fb^{-1} of proton-proton collision data recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in the year 2011. Selected events contain two highly energetic jets, one of which is identified as originating from a beauty quark, as well as a highly energetic electron or muon and transverse missing energy. The case of three and four jets is also considered but eventually discarded since their inclusion degrades the precision of the result. The event reconstruction is done with a chi-square-based kinematic fit using W boson and top quark mass constraints. The chi-square value in each event serves to classify the event as a signal-like or background-like process. The cross-section is extracted by performing a template-based maximum likelihood fit to the distribution that displays the best discriminatory power: This distribution is chosen such that the shape differences between signal and background with respect to the typical forward light jet kinematics of the t-channel are exploited. An observation of the single-top t-channel process with a significance of 5.7 Sigma is obtained, and the cross-section is measured to be 111^{+29}_{-28} pb. Assuming |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} as well as a (V-A), CP-conserving interaction, and allowing for the presence of anomalous couplings at the W-t-b vertex, the associated value of the CKM matrix element times an anomalous form factor is determined as |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16}. The corresponding lower limit in the standard model scenario 0

In dieser Dissertation werden drei Messungen des Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Antiquark-Paaren in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV vorgestellt. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider in den Jahren 2010 und 2011 aufgezeichnet. Für die Analyse werden Endzustände mit genau einem Myon oder Elektron, mindestens drei Jets sowie großem fehlenden Tranversalimpuls selektiert. Während eine Analyse ausschließlich kinematische Informationen für die Trennung von Signal- und Untergrundprozessen verwendet, nutzen die anderen beiden zusätzlich Informationen zur Identifizierung von Bottom-Quark-Jets. Mit Hilfe von multivariaten Methoden werden die präzisesten Messungen in dieser Ereignistopologie erreicht. Dies ist für zwei der Analysen insbesondere dank der Profile-Likelihood-Methode möglich, welche sorgfältig untersucht wird. Desweiteren wird zum ersten Mal ein sogenannter sichtbarer Wirkungsquerschnitt in Top-Quark-Ereignissen gemessen. Alle Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen in angenäherter nächstnächstführender Ordnung der Störungstheorie (approx. NNLO). / This doctoral thesis presents three measurements of the top quark-antiquark pair production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 7TeV recorded in 2010 and 2011 with the ATLAS Experiment at the Large Hadron Collider. Events are selected in the single lepton topology by requiring an electron or muon, large missing transverse momentum and at least three jets. While one analysis relies on kinematic information only to discriminate the top quark-antiquark pair signal from the background processes, the other two also make use of b-tagging information. With the help of multivariate methods the most precise measurements in this topology are obtained. This is for two of the measurements in particular possible due to the use of a profile likelihood method which is studied in detail. For the first time a fiducial inclusive cross section measurement for top quark events is performed allowing a measurement almost independent of theoretical uncertainties. All measurements are in agreement with theory predictions performed in perturbation theory at approximate NNLO.

Cette thèse de doctorat décrit la recherche de la production du boson de Higgs associée à une paire de quarks tops (tt̅H) dans un ensemble de données de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de √s = 13 TeV et avec une luminosité intégrée de 36,1 fb⁻¹, enregistrée par le détecteur ATLAS en 2015 et 2016. Sept états finaux, correspondants à différentes désintégrations du boson de Higgs, sont optimisés pour une meilleure séparation du signal par rapport au bruit de fond. Un excès d’événements par rapport au bruit de fond MS est observé avec une signification de 4,1 écarts types, tandis que 2,8 sont attendus. En combinaison avec des résultats de recherches avec d’autres canaux de désintégration du boson de Higgs, la production de tt̅H a été découverte par le détecteur ATLAS en utilisant jusqu’à 79,8 fb⁻¹ de données de collisions à √s = 7, 8 et 13 TeV.Les courants neutres, qui changent de saveur dans la désintégration du quark top en un boson de Higgs et un quark léger (t → Hq), sont fortement supprimés dans le MS. Des nouveaux modèles physiques peuvent prédire un rapport d’embranchement de t → Hc de 0,15%. La recherche de ces désintégrations, avec un état final à deux ou trois leptons, n’observe aucun signal. Une limite supérieure sur le ratio d’embranchement de t → Hc (t → Hu) avec un niveau de confiance de 95% est observé à 0,16% (0,19%) avec une limite attendue de 0,15% (0,15%).Pour contourner la limitation du nombre insuffisant des collisions, le LHC et ses expériences prévoient un plan de mise à niveau ambitieux. Un système de démonstration est en service depuis 2015 et ses performances étudiées avec des données de calibrations et de collisions. / This doctoral thesis describes the search for the associated Higgs boson production with a pair of top quarks (tt̅H) in a dataset of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of √s = 13 TeV and with an integrated luminosity of 36.1 fb⁻¹, recorded by the ATLAS detector in 2015 and 2016. Seven final states, associated to different Higgs boson decay, are optimised to get the best signal to background separation. An excess of events over the SM background is observed with a significance of 4.1 standard deviations, while 2.8 are expected. In combination with search results obtained for other Higgs boson decay channels, the tt̅H production has been discovered with the ATLAS detector using up to 79.8 fb⁻¹ of collision data at √s = 7, 8 and 13 TeV.Flavour-changing neutral currents in top quark decays into a Higgs boson and a light up-type quark (t → Hq) are strongly suppressed in the SM. New physics models can predict a t → Hc decay branching ratio of 0.15%. The search for these decays in final states with two or three leptons observes no signal. An upper limit on the t → Hc (t → Hu) decay branching ratio at a 95% confidence level is set at 0.16% (0.19%) with an expected limit of 0.15% (0.15%).To bypass the limitation of an insufficient amount of collision data, the LHC and its experiments foresee an ambitious upgrade plan. The current ATLAS Liquid Argon Calorimeter readout will be replaced to get an increased granularity to improve the trigger selectivity and avoid bandwidth saturation at high luminosity. A demonstrator system has been operated since 2015 and its performance studied with calibration and collision data.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.

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