Dissertations / Theses on the topic 'Yukawa couplings'

The Standard Model does not describe several phenomena, such as gravity and dark matter, and therefore is an incomplete description of nature. This demands the existence of new physics beyond the Standard Model. Two searches for new physics are presented in this thesis, along with a sensitivity study for a third analysis sensitive to new physics. The vMSM model motivates a search for lepton number violation using B+ -> h- μ+ μ+ decays, where h = (pi, K). No B+ → h- μ+ μ+ candidates are seen in ~ 36 pb -1 of LHCb data and limits are set of BR (B+ → K- μ+ μ+) < 4.1 x 10 -8 and BR (B+ → pi- μ+ μ+) < 4.4 x 10 -8 at 90\% C.L. These improve the previous best limits by a factor 40 and 30, respectively. Using ~ 1fb -1 of LHCb data, the B+ → pi+ μ+ μ- decay is observed for the first time with 5.2 sigma significance. This is the first b → dμ+μ- transition to be observed. The B+→ pi+ μ+ μ- branching fraction is measured to be (2.3 ± 0.6 (stat) ± 0.1 (syst)) x 10 -8. The ratio of branching fractions between B+ → pi+ μ+ μ- and B+ → K- μ+ μ- is measured to be 0.053 ± 0.014 (stat) ± 0.001 (syst), and this is used to determine a value of the ratio of quark mixing matrix elements Vtd| /Vtd| = 0.266 ± 0.035 (stat) ± 0.003 (syst). All of these results are compatible with the Standard Model expectations. Previous measurements of the ratio of B → D(*)τ+v and B → D(*)μ+v branching fractions exceed the Standard Model expectations by more than 3 sigma, combining D and D*. These decays are challenging to measure at a hadron collider, due to the presence of neutrinos in the final state. A sensitivity study is presented for a measurement of the ratio of B0 → D*τ+v and B0 → D*-μ+v branching fractions at LHCb. This study includes a novel fit method, and two new algorithms which enable the backgrounds to be controlled, and control samples to be isolated. The estimated uncertainty on Rd*, including the largest systematic uncertainties, is ~ 8\%, competitive with the 9\% uncertainty on the present best measurement of Rd*.

With the start of the Large Hadron Collider(LHC) at CERN, we will obtain a new understanding of the physics beyond our current limits. New discoveries will be made; but we will require a deeper understanding, which the LHC machine, being a hadron collider, will not be able to elucidate. Instead, we will need an e+e- collider to make precision measurements of the newly discovered phenomena. Electroweak symmetry breaking and the origin of fermion and boson masses are fundamental issues in our understanding of particle physics. The essential piece of electroweak symmetry breaking - the Higgs boson - will probably be discovered at the LHC. If there are one, or more, Higgs boson(s) precise measurements of all properties of the Higgs will be very important. In this thesis I present two measurements of Standard Model Higgs boson properties in the context of the International Linear Collider (ILC) at √s = 500 GeV, using the proposed International Linear Detector (ILD). First a performance study of ILD to measure the branching ratios of the Higgs boson with mH = 120 GeV, where the Higgs boson is produced with a Z-boson via the Higgsstralung process, and the Z decays into e+e- or μ+μ-. It will also be essential to study the Higgs Yukawa coupling. Therefore, in the second part of this thesis, I present a study of e+e- → tt¯H with the aim of making a direct measurement of the the top-Higgs coupling, using the semi-leptonic nal state and mH of 120 GeV. I show that the top-Higgs coupling can be measured with an accuracy of better than 28%.

Utilisant des données Monte-Carlo ATLAS en simulation complète du canal ttH;H->WW(*), cette thèse prsésente une étude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosité intégrée de 30fb(-1) dans la gamme de masses du Higgs allant de 120 à 200GeV. Les effets du système de déclenchement, de l'empilement des événements, ainsi que de toutes les erreures systématiques possibles ont été étudiés. Pour une masses du Higgs de 160GeV, en incluant les erreures systématiques, la significance obtenue du signal est à 2 sigma en combinant les états finaux à deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combiné sigma_ttH*Br(H->WW(*)) peut atteindre une précision de 47 %.Cette thèse comprend également une étude de la linéarité de la réponse à des électrons VLE avec des données de tests en faisceau combiné d'un secteur du détecteur ATLAS. Les résultats MC utilisant une graine multiple 5X5 permettent d'envisager une amélioration future de la linéarité de réponse à des électron VLE.

The International Linear Collider (ILC) is a proposed future e\(^+\)e\(^-\) linear collider which will make precise measurements of the Standard Model of Particle Physics. Novel detector systems with unprecedented performance are required to allow these measurements. This thesis focuses on the validation of a Digital Electromagnetic Calorimeter (DECAL) which infers the energy of the incident particles by counting the number of pixel fired (particles) in the shower rather than the energy deposited.The TPAC sensor has been developed for use as the active layer of a DECAL and its properties have been studied during beam tests at CERN and DESY. Data from these tests has been used to validate the DECAL concept by showing that pixel multiplicity increases with incident particle energy and material depth as expected for electromagnetic shower development. The radiation hardness of the TPAC sensors was also evaluated with a reduction in the signal to noise ratio of 8 % observed at doses up to 200 krad. The semileptonic decay of e\(^+\)e\(^-\) \(\rightarrow\) ttH has been studied at 1 TeV to evaluate the performance of the International Large Detector (ILD) yielding a predicted uncertainty on the measurement of the top Higgs Yukawa coupling of 6.9% with 1000 fb\(^-\)\(^1\) of data. An investigation into the effect of the inclusion of a DECAL has yielded results consistent with a conventional calorimeter system.

Die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 bestätigt das Standardmodell als die erfolgreichste Theorie, die die grundlegenden Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreibt. Eine der wichtigen Eigenschaften des Higgs-Bosons ist seine Yukawa-Kopplung an das Top-Quark, die aufgrund der hohen Masse des Quarks im Standardmodell am stärksten ist. Diese Arbeit berichtet über eine Messung der Top-Yukawa-Kopplung mit Daten, die vom ATLAS-Detektor von 2015 bis 2018 bei einem Massenschwerpunkt von 13 TeV aufgezeichnet wurden. Die Kopplung wird in ttH(bb)-Ereignissen untersucht, einem Endzustand, der die Zerfälls-produkte von zwei Top-Quarks enthält und in dem zusätzlich ein Higgs-Boson emittiert wird, welches in Bottom-Quark-Paar zerfällt. Dieser Zerfallskanal des Higgs-Bosons hat das größte Verzweigungsverhältnis, wird jedoch durch die Beschreibung des dominanten Untergrundprozesses ttbb, ein Top-Quark-Paar mit zwei zusätzlichen b-Quarks im Endzustand systematisch beschränkt. Die Messung nutzt die Fähigkeit des ATLAS-Detektors, Jets von einem b-Quark zu identifizieren, um Analysebereiche mit verschiedenen Zusammensetzungen von Signal und Untergrund zu konstruieren. Um das Signal weiter zu separieren, wird eine Reihe von multivariaten Algorithmen verwendet und der ttH-Prozess wird unter Verwendung eines Profile-Likelihood-Fits extrahiert. Die Ergebnisse werden für den Kanal mit einem einzelnen Lepton im Endzustand und für eine Kombination mit dem Dilepton-Kanal gezeigt. Die Untergrundgenauigkeit wird im Detail untersucht, wobei große Fehlmodellierungen festgestellt werden. Das gemessene Verhältnis der ttH-Produktion zur Standardmodell-Vorhersage beträgt mu(ttH) = 0,84+0,45- 0,39 (syst.) +-0,21 (stat.). Das Ergebnis stimmt mit der Vorhersage des Standardmodells überein und entspricht einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1,9 sigma (2,3 sigma), eine Verbesserung gegenüber der vorherigen ATLAS-Messung, bei der eine Signifikanz von 1,4sigma (1,6 sigma) ermittelt wurden.
The discovery of the Higgs Boson in 2012 confirms the Standard Model as the most successful theory describing the fundamental interactions of elemental particles. One of the important properties of the Higgs boson is its Yukawa coupling to the top quark, which in the Standard Model is the strongest due to the high mass of the quark. This thesis reports on a measurement of the top-Yukawa coupling with data collected by the ATLAS detector from 2015 to 2018 at 13 TeV center of mass energy. The coupling is studied in ttH(bb) events, a final state containing decay products of two top quarks with additional emission of a Higgs boson, where the Higgs decays into a pair of bottom quarks. This decay channel of the Higgs Boson has the largest branching ratio, but is systematically limited by the description of the dominant background process ttbb, a tt with additional two b quarks in the final state. The measurement takes advantage of the ability of the ATLAS detector to identify jets coming from a b quarks to construct analysis regions with various compositions of the signal and the background. To further separate the signal, a series of multivariate algorithms is employed and the ttH process is then extracted using a profile likelihood fit. The results are shown for the channel with a single lepton in the final state and for a combination with the dilepton channel. The background performance is studied in detail, where large mis-modeling is found. The measured ratio of the ttH production compared to the Standard Model prediction is found to be mu(ttH) = 0.84 +0.45 -0.39 (syst.) +-0.21 (stat.). The result is in agreement with the Standard Model prediction and corresponds to an observed (expected) significance of 1.9 sigma (2.3 sigma), an improvement compared to the previous ATLAS measurement which reported 1.4 sigma (1.6 sigma).

Le boson de Higgs est l'une des particules elementaires predites par le modele standard, et la seule pas encore observee experimentalement. La recherche de la particule de Higgs est l'objectif premier de nombreuses experiences à haute energie au cours des dix dernieresannees. Selon le modele standard, les bosons W, Z0 bosons obtiennent leurs masses de la brisure spontanee de la symetrie du vide par le mecanisme de Higgs, tandis que les fermions obtiennent leurs masses par couplage de Yukawa avec le boson Higgs. Ce couplage est une des plus importantes proprietes du Higgs et permet de distinguer si il est de type modele standard ou non. Le Grand Collisioneur de Hadron (Large Hadron Collider ou LHC) au CERN est un collisionneur proton-proton avec une energie dans le centre de masse de 14 TeV. ATLAS est un detecteur de particules de type generaliste situe aupres d'un des points de collision du LHC. Le debut de la prise des donnees est prevue pour cet ete. Les principaux objectifs de physique de l'experience ATLAS sont les recherches du boson de Higgs, de particules SUSY et les mesures de precision electro-faibles. Utilisant des donnees Monte-Carlo ATLAS CSC (Computing System Commissioning) en simulation complµete du canal t¹tH;H ! WW, cette these presente une etude de la mesure du couplage de Yukawa du quark top pour une lumisosite integree de 30fb 1 dans la gamme de masses du boson de Higgs allant de 120 a 200GeV=c2. Pour la premiµere fois, les effets du systeme de declenchement, de l'empilement des evenements, ainsi que de toutes les erreurs systematiques possibles ont ete extensivement etudies. Pour une masses du Higgs de 160GeV=c2, en incluant toutes les erreures systematiques, la signicance obtenue du signal est superieure µa 2¾ en combinant les etats naux a deux et trois leptons. Le rapport d'embranchement combine ¾ t¹tH BrHWW peut atteindre une precision de 47 % et donner des informations importantes sur le couplage de Yukawa du quark top. C'est la premiere etude du canal t¹tH;H WW en simulation detaillee du detecteur ATLAS, incluant une etude complete et detaillee des erreurs systematiques. La partie la plus dicile de l'analyse de t¹tH;H WW est d'extraire le signal du bruit de fond abondant car la section efficace du signal est seulement 0:1% de celle du bruit de fond tt. En outre, le signal presente un etat final complexe d'au moins quatre jets, deux leptons et deux neutrinos qui rendent tres diffcile la reconstruction du spectre de masse du Higgs. L'isolation leptonique est un des moyens les plus importants pour supprimer le bruit de fond reductible. Cette these developpe une procedure dediee d'isolation en cone permettant de supprimer le bruit principal t¹t par un facteur 5. L'incertitude sur l'echelle d'energie leptonique est l'une des principales sources d'incertitude systematique pour cette analyse t¹tH;H WW. Une bonne linearite de reponse pour des electrons de tres basses energies (VLE) permettrait d'ameliorer la performance de l'estimation de l'echelle d'energie des electrons. Cette these comprend egalement une etude de la linearite de la reponse à des electrons VLE avec des donnees de tests en faisceau combine (CTB) d'un secteur du detecteur ATLAS. Une premiere methode basee sur l'utilisation, evenement par evenement, de chambreà fils proche du faisceau est presentee. Puis une autre methode est etudiee par simulation Monte-Carlo. Elle est basee sur l'utilisation d'un etalonnage s'appuyant sur une constante de calibration obtenue par une aggregation des energies par graine multiple de 5 par 5. Les resultats de simulation de cette methode permettent d'envisager une amelioration future de la linearite de reponse à des electrons VLE.

The Higgs boson and the top quark have been a focus in modern elementary particle physics research because of their special roles in the Standard Model (SM) of particle physics. The studies of both particles are crucial for revealing the unsolved puzzles of modern particle physics. The coupling between the Higgs boson and the top quark, the top-Yukawa coupling, is one of the fundamental parameters in the SM that can potentially direct the future development of the theory of elementary particle physics. This thesis presents two analyses on the Higgs boson and the top quark, using proton-proton (pp) collision data collected by the ATLAS detector during 2012 and 2015. A search for the SM Higgs boson produced in association with a top quark pair (tt̄H) was performed using 20.3 fb⁻¹ of pp collision data at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. The search is designed to be primarily sensitive to the H → bb decay mode. Events with one of two electrons or muons are used in the search. No significant excess of events is observed above the background predicted by the SM. An observed (expected) upper limit on the signal strength of 3.4 (2.2) times the SM prediction is obtained at 95% confidence level. The tt̄H signal strength, represented by the ratio of the measured tt̄H cross-section to the SM prediction, is found to be μ = 1.5 ± 1.1 for a Higgs boson mass of m_H = 125 GeV. A measurement of the top quark pair (tt̄) production cross-section was performed using 3.2 fb⁻¹ of pp collision data at √s = 13 TeV. The measurement uses events with an opposite-charge-sign electron-muon pair and exactly one and two jets originating from b quarks. The inclusive tt̄ production cross-section is measured to be σ_tt̄ = 818 ± 8(stat) ± 27(syst) ± 19(lumi) ± 12(beam) pb, where the uncertainties arise from data statistics, analysis systematic effects, the integrated luminosity and the LHC beam energy. The total relative uncertainty is 4.4%. The result is consistent with the theoretical prediction at the next-to-next-to-leading order accuracy in the strong coupling constant αs of QCD, with the resummation of next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) soft gluon terms. A fiducial cross-section corresponding to the experimental acceptance of leptons is also measured.

Le Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider, LHC) du CERN a redémarré au printemps 2015 pour trois ans (Run 2) avec une énergie dans le centre de masse de 13 TeV.Une mesure précise de l’efficacité de reconstruction des électrons avec le détecteur ATLAS au LHC, est présente dans la première partie de cette thèse en utilisant les données récoltées au cours de l’année 2015. Cela a permis d’extraire les rapports d’efficacité de reconstruction des électrons, lesquels sont utilisés par toutes les analyses d’ATLAS impliquant des électrons. Les résultats montrent d'une part une grande efficacité de reconstruction des électrons avec le détecteur ATLAS, et une bonne compréhension de ses performances d’autre part.La seconde partie de ce manuscrit est dédiée à la recherche de la production associée du boson de Higgs avec une paire de quarks top (bar), qui pourrait permettre une première mesure directe du couplage de Yukawa entre le boson de Higgs et le quark top. Une déviation dans la mesure par rapport aux prédictions du Modèle Standard serait une preuve manifeste de Nouvelle Physique. La signature de l’état final avec deux leptons de même charge électrique électrons ou muons) est examinée en utilisant les premiers 10\% du total de données attendues pour le Run 2. Une méthode améliorant l'estimation des événements avec de faux (non-prompt) leptons a développé}e et est discutée en détails dans ce rapport
The Large Hadron Collider (LHC) at CERN restarted in spring 2015 for three years (Run2) at an unexplored center-of-mass energy of 13 TeV. A precise measurement of electron reconstruction efficiency in ATLAS, one of the two general purpose experiments of the LHC, is presented in the first part of this thesis with $Zee$ data sample recorded in 2015. This allows to extract scale factors between data and simulation that are used by all ATLAS physics analyses involving electrons. The results show the high ability of the ATLAS detector to reconstruct electrons from one hand and the good understanding of its performance on the other hand. The second part of the thesis is dedicated to a search for the Higgs boson production in association with a top quark pair (ttH), which could allow a first direct measurement of the top quark Yukawa couplingand could reveal new physics. The signature with two same-charge light leptons (electron or muon) without a hadronically decaying tau lepton final state is examined using the first 10% of the total expected Run2 dataset. Events with fake (non-prompt) leptons represent the main reducible background of this signature. An improved method to estimate it has been developped and is discussed in details in this thesis. Driving the total error, fake leptons background is found to be 1.5 to 3.6 times higher than in simulation and represent between 32 and 48% of the total background. The best-fit value of the ratio of observed and Standard Model cross sections of ttH production process, combining with other multilepton channels, is 2.5±0.7(stat)+1.1-0.9(syst), and an upper limit on this ratio of 4.9 (2.3 expected) is found at 95% confidence level

La recherche de ttH avec les deux quarks top se désintégrant hadroniquement, et le boson de Higgs se désintégrant en paire de quark b est présentée. Une stratégie d’analyse basée sur une approche multivariée est réalisée afin de discriminer le signal des bruits de fonds dominants. Cette recherche a déjà été réalisée par ATLAS au Run 1 et a conduit à une mesure de l’intensité du signal (μ) de μ=1.6+2.6-2.6. La recherche présentée dans cette thèse a été réalisée à partir des données recueillies par le détecteur ATLAS au Run 2 qui correspond à une luminosité intégrée de 139 femptobarn inverse et à une énergie au CM de 13 TeV. Utilisant les données d’Asimov, une valeur attendue de μ = 1.00 2.1−2.4 est obtenue. Une limite supérieure attendue de 4,4 fois la prédiction du SM à 95% de niveau de confiance sur la section efficace du signal ttH a été obtenue. Le deuxième travail présenté dans cette thèse se concentre sur ce scénario avec la recherche d’une paire de partenaires scalaires du quark top (stop) se désintégrant en deux quarks b et deux charginos se désintégrant ensuite en deux quarks b et un quark léger qui conduit expérimentalement à un état final avec au moins huit jets et au moins six b-jets. La stratégie d’analyse est basée sur le comptage du nombre d’événements avec une grande multiplicité en jets et en b-jets. Des limites supérieures attendues à 95% CL sont obtenues sur les sections efficaces de la grille de masses des particules supersymétriques stop et chargino produits
In this thesis, I present the search for ttH where the two top quarks decay hadronically, and the Higgs boson decays into b-quark pair. A multivariate analysis strategy is performed in order to discriminate the signal from the dominant backgrounds. This search has been already performed by ATLAS in Run 1 and resulted in a measured signal strength (μ) of μ=1.6+2.6-2.6. The search presented in this thesis is carried out using data collected by the ATLAS detector in Run 2 which corresponds to an integrated luminosity of 139 inverse femptobarn at the CoM energy of 13 TeV. An expected value of μ = 1.00 2.1−2.4 using Asimov data is obtained. The expected upper limit at 95% Confidence Level on the ttH signal cross-section is expected to be 4.4 times the SM prediction. One of the viable scenarios proposed by the SUSY Model, the R-parity violation (RpV), is nowadays highly considered since the more striking R-parity conserving (RpC) scenario has been heavily constrained by experimental data. The second work presented in this thesis focuses on this scenario with the search of a pair of scalar top partners (stop) decaying into two b-quarks and two charginos subsequently decaying into two b-quarks and a light-quarks which experimentally result in a final state signature with at least eight jets and at least six b-jet. The analysis strategy is based on counting the number of events in high jet and b-tagged jet multiplicity. The expected upper limits at 95% CL are placed on the cross-sections of the produced stop and chargino mass grid

The idea that we live in a higher-dimensional space was first introduced almost 100 years ago. In the past two decades many extra-dimensional models have been proposed in order to solve fundamental problems of nature such as the hierarchy problem. Most of them need exploration via non-perturbative approaches and Lattice Gauge Theory provides a tool for doing this. In this thesis, we make attempts to find a non-perturbative way to localize gauge fields that arise from five-dimensional SU(2) gauge theories on 3-branes. In 1984, it was proposed that the phase diagram of anisotropic extra-dimensional lattice gauge theories inherits a new phase, called the "layered" phase, where the gauge fields behave as four-dimensional ones. This was shown for the abelian case, but the existence of this new phase for the simplest non-abelian group, SU(2), was still in doubt. We investigated this system in large volumes using Monte Carlo simulations and we could not find a second order phase transition from a five-dimensional to a continuous four-dimensional theory when all directions were kept large. This made the model unattractive for further exploration as nothing suggests that a non-trivial fixed point could exist. The above investigation was done in a flat background metric. We extended the previous work by putting our theory into a slice of AdS5 space, usually called the warped background. The motivation for this is that our SU(2) theory looks like the gauge-sector of the Randall-Sundrum model, which does not have a concrete solution to the problem of localization of the gauge fields on a 3-brane. We carried out our investigation using the Mean-Field Approach and we present novel results for the phase diagram and measurements of important observables. In our implementation we have a finite extent of the extra dimension and one layer (or 3-brane) on each extra-dimensional coordinate. At weak coupling, we observed that each layer decouples one at a time in the transition to the fully layered phase of the system, forming a mixed phase, whereas there is a strong and sharp transition between the fully layered and the strong-coupling phase. Within the mixed phase, close to the transition into the layered phase, we found evidence that the system is four-dimensional acquiring a Yukawa mass and resembling a Higgs-like phase. The mixed phase grows as the curvature increases suggesting that for an infinite extra dimension the entire weak-coupling phase is mixed.

L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid) vise à étudier les résultats des collisions de protons produites par le LHC (Large Hadron Collider) au CERN. La découverte du boson de Higgs est un grand bond en avant car le mécanisme correspondant indique que les masses de particules sont le résultat d'une interaction avec le champ scalaire associé. La nature de ce domaine est étudiée dans les détails et cela occupera les collaborateurs de CMS pour les prochaines années. La caractérisation du secteur de Higgs ainsi que la recherche d'une nouvelle physique exigeront toutes les capacités du LHC. Des améliorations sont également prévues dans le but d'atteindre des luminosités beaucoup plus élevées (> 5x1034cm-2s-1). L'expérience CMS déploie un détecteur de 14000 tonalités équipé d'une électronique avancée pour suivre et identifier précisément toutes les particules produites lors des collisions. Bien que CMS ait affiché d'excellentes performances, sa mise à niveau pour la Phase II inclue entre autre un nouveau système d'acquisition de données pour exploiter pleinement les conditions de luminosité élevée.Le travail de thèse se concentre sur la prise en compte des nouvelles techniques d'analyse et de sélection pour rechercher les leptons tau provenant de la désintégration du Higgs produit en association avec deux quarks top (ttH). Le mode de production ttH est important pour caractériser les propriétés du boson de Higgs et en particulier, son couplage au quark top, auquel le processus ttH offre un accès direct. Le boson de Higgs se désintégrant en une paire de tau leptons est particulièrement intéressant puisqu'il permet de mesurer le couplage du boson de Higgs aux fermions. Compte tenu de la masse du Higgs, le mode de décomposition du tau est certainement favorisé, mais représente encore des aspects difficiles comme les techniques de sélection et de reconstruction. L'analyse ttH est particulièrement difficile du fait de la complexité des états finaux. Des techniques spécifiques comme la Matrix Element Method sont nécessaires à l’extraction du signal. Depuis son observation en 2018, cette analyse est l’une des principales priorités de l’expérience CMS et Cristina Martin Perez joue un rôle majeur dans la préparation de la publication des résultats du Run 2.En outre, cette thèse se concentre sur le développement d'un algorithme de sélection lepton tau dédié, qui n'avait jamais été réalisé avec les couches électroniques du système d'acquisition de données. Le nouveau système de déclenchement a été mis en service au début du Run II du LHC et est utilisé comme système de base depuis 2016. Cristina Martin Perez joue un rôle de premier plan dans les études de performance et l'optimisation de ce déclenchement
The CMS (Compact Muon Solenoid) experiment aims at studying the results of proton collisions produced by the LHC (Large Hadron Collider) at CERN. The discovery of the Higgs boson is a great leap forward as the corresponding mechanism states that particles masses are the result of an interaction with the associated scalar field. The nature of that field is being studied in details and this will occupy the CMS collaborators for the next years. The characterization of the Higgs sector as well as the search for new physics will require the full capabilities of the LHC. Upgrades have been done along the way to reach much higher luminosities (>5x1034cm-2s-1). The CMS experiment deploys a 14000 tones detector equipped with advanced electronics to track and identify precisely all the particles produced from the collisions. Although CMS showed an excellent performance, it underwent upgrades, which include a new data acquisition system to fully exploit high luminosity conditions.The thesis work focuses on taking advantage of the newer analysis and selection techniques to search for tau leptons coming from Higgs which was produced associated to two tops (ttH). The ttH production mode is important to characterize the properties of the Higgs boson and in particular its coupling to top quarks, to which the ttH process has direct access. The Higgs to tau leptons is of particular interest as it probes the Higgs coupling to fermions. Given the mass of the Higgs, the tau decay mode is certainly favored but still represents challenging aspects in both selection and reconstruction techniques. The ttH analysis is particularly challenging given the complexity of final states and makes use of the latest signal extraction techniques. Since its observation in 2018, this analysis is one of the main priorities of the CMS experiment, and the Cristina Martin Perez plays a major role in the full Run 2 legacy paper preparation.Besides, this thesis focuses on the development of a dedicated tau selection algorithm, which had never been achieved with the electronics layers of the data acquisition system. A new trigger system was commissioned with proton collisions data and is being used as the baseline system starting 2016. Cristina Martin Perez plays a leading role in the performance studies and optimization of this trigger

La découverte du boson de Higgs au LHC en 2012 est la plus récente confirmation de la validité du modèle standard, théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales. De nombreuses études ont été mises en place pour étudier les différentes caractéristiques de cette particule récemment découverte. Ce travail se concentre sur la recherche du processus ttH dans l’expérience ATLAS, pour réaliser une première mesure directe du couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre important dans les modèles de physique au-delà du modèle standard. La première partie de ce travail a porté sur l’automatisation de l’étalonnage du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur ATLAS (TileCal ) par un système laser. Une description de ce système qui permet un étalonnage régulier de toutes les cellules du calorimètre est tout d’abord présentée. Ensuite, l’algorithme d’automatisation de ce processus d’étalonnage, qui a été écrit lors de ce travail, est décrit. Le but final de cet algorithme est de faciliter et accélérer la correction des canaux dont le gain dérive. Une deuxième partie concerne la recherche du processus ttH par l’étude des états finals multi-leptons et particulièrement avec deux leptons de même charge électrique et au moins 4 jets dont 1 étiqueté b. L’estimation des bruits de fond instrumentaux et le traitement statistique réalisé sont décrits en détail dans le document pour deux versions de l’analyse. Une première version correspondant aux données de l’année 2015 et du début 2016, soit une luminosité intégrée de 13.2f b −1 de données, aboutit à une précision insuffisante pour conclure sur la présence du processus ttH. Une deuxième version de l’analyse, optimisée avec l’utilisation d’analyses multivariées sur l’ensemble des données 2015 et 2016, se conclut par une observation du processus ttH lors de la combinaison de l’ensemble des états finals ttH. La signification statistique observée est alors de 4.2σ pour une signification statistique attendue de 3.8σ. Ce résultat est donc en accord avec la prédiction du modèle standard
Discovery of Higgs boson at LHC in 2012 is the most recent confirmation of the validity of Standard Model, theory describing elementary particles and their interactions. Many analysis now target the extraction of properties of the newly-discovered particle. A direct measurement in the ATLAS experiment of the top Yukawa coupling, one of these properties, is targeted in this work through ttH process. This coupling is of particular interest because of its strong sensitivity to New Physics. The first part of the work is about the automation of the calibration of the hadronic tile calorimeter of the ATLAS detector. A detailed description of the laser system used for a regular calibration of the calorimeter is done as well as of the calibration itself. Then more details on the algorithm written for the automation of the calibration are given. The final goal of this algorithm is to ease and fasten the calibration of channels with gain variation. The second part is dedicated to the search for ttH process through multilepton final states with emphasis on final state with two same-sign leptons, at least four jets and at least 1 b-tagged jet. Estimation of reducible backgrounds and statistical treatment of the analysis are detailed. A first version of the analysis with 13.2f b −1 , corresponding to 2015 and mid-2016 LHC data, ends with a final precision too low to extract any conclusion on the tt̄H process. In a second version of the analysis, improvements are made using multivariate analysis and adding more signal regions. The results from the multilepton analysis is combined with results from other ttH analysis, targeting other Higgs decays, to attain a final observed sentivity of 4.2σ. Thus an evidence for ttH production can be claimed from this combination. The final results give good agreement with Standard Model prediction

Depuis la découverte du boson de Higgs à une masse d'environ 125 GeV par les deux collaborations ATLAS et CMS en juillet 2012, il est devenu crucial de mesurer ses propriétés, telles que ses couplages avec d'autres particules, et de rechercher tout écart par rapport aux prévisions du Modèle Standard (SM). Le couplage Yukawa du quark top est proche de l'unité et est le plus fort dans le secteur fermionique. Par conséquent, ce couplage joue un rôle crucial dans la théorie. La détermination de la production de boson de Higgs avec une paire de quarks top (ttH) offre un accès a l'ordre dominant pour mesurer ce couplage. L'analyse de la production de ttH dans le cadre de l'expérience ATLAS exploite plusieurs canaux de désintégration du Higgs, ainsi que différents modes de désintégration des quarks top. Dans cette thèse, l'étude du processus ttH (H → Multi lepton) est présentée dans la topologie où le Higgs se désintègre en WW,ZZ ou tautau, en utilisant un ensemble de données correspondant à une luminosité intégrée de 79,8fb^-1 à √s = 13 TeV, recueillies avec le détecteur ATLAS entre 2015 et 2017. L'amélioration des connaissances sur la modélisation des bruits de fond et un modèle d'ajustement complexe est utilisée avec de nombreux degrés de liberté. Des ajustements particulièrement différents sont présentés afin de comprendre la modélisation du principal bruit de fond irréductible, ttW. En outre, une recherche sur la production de paires de bosons de Higgs dans les états finaux multi leptoniques est présentée. La recherche utilise 139fb^-1 de données issues de collisions proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeV fournies par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et enregistrées par l'expérience ATLAS entre 2015 et 2018. Les premières études du canal 2 leptons de même signe sont réalisées afin d'optimiser le point de fonctionnement des leptons et d'estimer les contributions des bruits de fond. La méthode d'ajustement du modèle est appliquée pour estimer les bruits de fond réductibles et calculer la limite supérieure préliminaire prévue
Since the discovery of the Higgs boson at a mass around 125 GeV by both ATLAS and CMS collaborations in July 2012, it became crucial to measure its properties, such as its couplings to other particles, and search for any deviations from the Standard Model (SM) predictions. The top quark Yukawa coupling is close to unity and the strongest in the fermionic sector. Therefore, this coupling plays a crucial role in the theory. Determination of the associated production of The Higgs boson production with a pair of top quarks (ttH) offers a tree-level access to measuring this coupling. The analysis of ttH production at ATLAS experiment exploits several Higgs decay channel, together with different top quark decay modes. In this thesis, the study of the ttH (H → Multi lepton) process is presented in the topology where the Higgs decays to WW,ZZ or tautau, using a dataset corresponding to an integrated luminosity of 79.8fb^-1 at √s = 13 TeV, collected with the ATLAS detector between 2015-2017. Improved knowledge on the background modelling and the complex fit model is used with many degrees of freedoms. Particularly different fit setups are presented in order to understand the modelling of the major irreducible background, ttW. Furthermore, a search for the SM Higgs boson pair production in the multi lepton final states is presented. The search uses 139fb^-1 of proton-proton collisions data at a centre-of-mass energy of 13 TeV provided by the Large Hadron Collider (LHC) and recorded by the ATLAS experiment in 2015 and 2018. The first studies in two lepton same-sign channel is performed for lepton working point optimisation and estimation of background contributions. Template fit method is applied to estimated the reducible backgrounds and preliminary expected upper limit is calculated

Dissertação de Mestrado em Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
No Modelo Padrão (SM), é previsto que o bosão de Higgs seja uma partícula escalar e que suas interações não violem a simetria CP. Após a observação da produção do bosão de Higgs em associação com um par de quarks top (ttH) pelas experiências ATLAS e CMS em 2018, a observação de uma componente ímpar à transformações de carga-paridade (CP) em um dos acoplamentos do bosão de Higgs constituiria uma importante descoberta de física além do SM (BSM). Recentemente, ATLAS e CMS procuraram essa componente em eventos ttH com o Higgs decaindo em dois fotões. No entanto, o acoplamento entre o Higgs e os fotões é induzido por loops e pode ser afetado por efeitos da nova física. Esta tese descreve o estudo da natureza CP do acoplamento de Yukawa do Higgs aos quarks top por meio da análise de eventos ttH no canal de decaimento H→bb, e fornece projeções deste estudo do Run 2 do Large Hadron Collider (LHC) ao LHC de alta luminosidade (HL-LHC). A análise usa dados de colisão protão-protão coletados com o detector ATLAS durante o período do Run 2 do Grande Colisor de Hadrões (LHC) com uma energia de centro de massa de √s=13 TeV e luminosidade integrada total de 139 fb-1. São usados apenas eventos contendo um ou dois leptões no estado final do decaimento do par de quarks top. Em seguida, os eventos são classificados em regiões de acordo com o número de jatos e o número de b-jatos marcados usando ponto de operação (WPs) de 60% and 70%. Várias técnicas multivariadas foram usadas para melhorar a sensibilidade da análise, uma árvore da decisão reforçada (BDT) foi treinada para separar o sinal do fundo e outra para distinguir entre diferentes cenários de CP. Variáveis sensíveis ao CP, incluindo observáveis calculadas no referencial de laboratório e variáveis angulares calculadas em referenciais específicos, foram usadas no ajuste e no treinamento das BDTs.Um ajuste de verossimilhança é executado em todas as regiões de análise para restringir as previsões de fundo e reduzir as incertezas sistemáticas. O valor esperado para o ângulo de mistura CP é obtido desse ajuste. Além disso, uma extrapolação da análise foi realizada nesta tese, a fim de fornecer projeções sobre a medição do ângulo de mistura de CP para o LHC de alta luminosidade (HL-LHC). Foram considerados diferentes cenários para a evolução das incertezas sistemáticas com o aumento esperado da luminosidade. O valor esperado para o ângulo de mistura de CP foi obtido para vários valores diferentes de luminosidade até 3000 fb-1. Com as atuais incertezas sistemáticas, espera-se que a produção de ttH pura CP-ímpar seja excluída com 99.73\% de nível de confiança (CL) apenas no final do projeto HL-LHC. A significância de exclusão CP-ímpar é representada em função da luminosidade para cada um dos cenários considerados, e os efeitos dos vários tipos de incertezas são avaliados.
In the Standard Model (SM), the Higgs boson is predicted to be a scalar particle with no CP-violating interactions. After the observation of the Higgs boson production in association with a top quark pair (ttH) by ATLAS and CMS in 2018, the measurement of an odd charge-parity (CP) component in one of the Higgs boson couplings would constitute an important discovery of physics beyond the SM (BSM). Recently, ATLAS and CMS searched for such a component in ttH events with the Higgs decaying into two photons. However, the coupling between the Higgs and the photons is loop-induced and could be modified by effects of new physics. This thesis describes the study of the CP nature of the Higgs Yukawa coupling to the top quarks by analyzing ttH events in the H→bb decay channel, and provides projections of this search from the Large Hadron Collider (LHC) Run 2 to the High-Luminosity LHC (HL-LHC). The analysis uses the full Run 2 dataset of proton-proton collision collected with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of √s=13 TeV and total integrated luminosity of 139 fb-1. Only events containing either one or two leptons in the final state from the decay of the top quark pair are used in the analysis. Then, the events are classified into regions according to the number of jets and the number of b-tagged jets using the 60% and 70% working points (WPs). Two sets of multivariate classifiers are utilized to improve the analysis sensitivity. One classifier targets the classification of signal against backgrounds and the other targets the separation between different CP scenarios. Several CP sensitive variables, including lab-frame observables and angular variables calculated in specific frames, were used in the training of the BDTs. A profile likelihood fit is performed over all analysis regions to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. The expected value for the CP-mixing angle is presented. An extrapolation of the analysis is performed in order to provide projections on the measurement of the CP-mixing angle for the HL-LHC. Different scenarios for the evolution of the systematic uncertainties with the expected increase in the luminosity were considered. The expected value for the CP-mixing angle was obtained for several different values of luminosity up to 3000 fb-1. With the current systematic uncertainties, the pure CP-odd ttH production is expected to be excluded with 99.73% confidence level (CL) only at the end of the HL-LHC project. The CP-odd exclusion significance is represented as a function of the luminosity for each of the scenarios considered, and the effects of the various types of uncertainties are evaluated.
Outro - FCT CERN/FIS-PAR/0002/2019