A search is presented for production of a heavy up-type quark (t') together with its antiparticle, assuming a significant branching ratio for subsequent decay into a W boson and a b quark. The search ...is based on 4.7 fb^-1 of pp collisions at sqrt(s)=7 TeV recorded in 2011 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Data are analyzed in the lepton+jets final state, characterized by a high-transverse-momentum isolated electron or muon, large missing transverse momentum and at least three jets. The analysis strategy relies on the substantial boost of the W bosons in the t't'bar signal when mt'>=400 GeV. No significant excess of events above the Standard Model expectation is observed and the result of the search is interpreted in the context of fourth-generation and vector-like quark models. Under the assumption of a branching ratio BR(t'->Wb)=1, a fourth-generation t' quark with mass lower than 656 GeV is excluded at 95% confidence level. In addition, in light of the recent discovery of a new boson of mass ~126 GeV at the LHC, upper limits are derived in the two-dimensional plane of BR(t'->Wb) versus BR(t'->Ht), where H is the Standard Model Higgs boson, for vector-like quarks of various masses.
(...) 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. (...)
(...) 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.
In several extensions of the Standard Model, the top quark can decay into a bottom quark and a light charged Higgs boson H+, t to bH+, in addition to the Standard Model decay t to bW. Since W bosons ...decay to the three lepton generations equally, while H+ may predominantly decay into tau+nu, charged Higgs bosons can be searched for using the violation of lepton universality in top quark decays. The analysis in this paper is based on 4.6/fb of proton-proton collision data at sqrt(s) = 7 TeV collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. Signatures containing leptons (e or mu) and/or a hadronically decaying tau (tau_had) are used. Event yield ratios between e+tau_had and e+mu, as well as between mu+tau_had and mu+e, final states are measured in the data and compared to predictions from simulations. This ratio-based method reduces the impact of systematic uncertainties in the analysis. No significant deviation from the Standard Model predictions is observed. With the assumption that the branching fraction B(H+ to tau+nu) is 100%, upper limits in the range 3.2%-4.4% can be placed on the branching fraction B(t to bH+) for charged Higgs boson masses m(H+) in the range 90-140 GeV. After combination with results from a search for charged Higgs bosons in ttbar decays using the tau_had+jets final state, upper limits on B(t to bH+) can be set in the range 0.8%-3.4%, for m(H+) in the range 90-160 GeV.
A measurement of the ZZ production cross section in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV using data recorded by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider is presented. In a data sample ...corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb-1 collected in 2011, events are selected that are consistent either with two Z bosons decaying to electrons or muons or with one Z boson decaying to electrons or muons and a second Z boson decaying to neutrinos. The ZZ*->llll and ZZ->llnunu cross sections are measured in restricted phase-space regions. These results are then used to derive the total cross section for ZZ events produced with both Z bosons in the mass range 66 to 116 GeV, sigmaZZtot = 6.7 +-0.7 +0.4-0.3 +-0.3 pb, which is consistent with the Standard Model prediction of 5.89+0.22-0.18 pb calculated at next-to-leading order in QCD. The normalized differential cross sections in bins of various kinematic variables are presented. Finally, the differential event yield as a function of the transverse momentum of the leading Z boson is used to set limits on anomalous neutral triple gauge boson couplings in ZZ production.
A measurement of splitting scales, as defined by the kT clustering algorithm, is presented for final states containing a W boson produced in proton--proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 ...TeV. The measurement is based on the full 2010 data sample corresponding to an integrated luminosity of 36 pb-1 which was collected using the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. Cluster splitting scales are measured in events containing W bosons decaying to electrons or muons. The measurement comprises the four hardest splitting scales in a kT cluster sequence of the hadronic activity accompanying the W boson, and ratios of these splitting scales. Backgrounds such as multi-jet and top-quark-pair production are subtracted and the results are corrected for detector effects. Predictions from various Monte Carlo event generators at particle level are compared to the data. Overall, reasonable agreement is found with all generators, but larger deviations between the predictions and the data are evident in the soft regions of the splitting scales.
A measurement of the top quark pair production cross section in the final state with a hadronically decaying tau lepton and jets is presented. The analysis is based on proton-proton collision data ...recorded by the ATLAS experiment at the LHC, with a centre-of-mass energy of 7 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 1.67 inverse femtobarns. The cross section is measured to be 194 +/- 18 (stat.) +/- 46 (syst.) pb and is in agreement with other measurements and with the Standard Model prediction.
The production of W bosons in association with two jets in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of sqrt(s)=7 TeV has been analysed for the presence of double-parton interactions using ...data corresponding to an integrated luminosity of 36/pb, collected with the ATLAS detector at the LHC. The fraction of events arising from double-parton interactions, fDP(D) has been measured through the momentum balance between the two jets and amounts to fDP(D) = 0.08 +- 0.01 (stat.) +- 0.02 (sys) for jets with transverse momentum PT > 20 GeV and rapidity |y|<2.8. This corresponds to a measurement of the effective area parameter for hard double-parton interactions of \sigma_eff = 15 +- 3 (stat.) +5 -3 (sys.) mb.
Results are presented of a search for new particles decaying to large numbers of jets in association with missing transverse momentum, using 4.7 fb^-1 of pp collision data at sqrt(s) = 7 TeV ...collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2011. The event selection requires missing transverse momentum, no isolated electrons or muons, and from >=6 to >=9 jets. No evidence is found for physics beyond the Standard Model. The results are interpreted in the context of a MSUGRA/CMSSM supersymmetric model, where, for large universal scalar mass m_0, gluino masses smaller than 840 GeV are excluded at the 95% confidence level, extending previously published limits. Within a simplified model containing only a gluino octet and a neutralino, gluino masses smaller than 870 GeV are similarly excluded for neutralino masses below 100 GeV.
Results on the search for flavor-changing neutral-current single top-quark production are reported. Data collected with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV and ...corresponding to an integrated luminosity of 2.05 fb^-1 are used. Candidate events with a leptonic top-quark decay signature are classified into signal- and background-like events using a neural network. No signal is observed in the output distribution and a Bayesian upper limit on the production cross-section is placed. The observed 95% C.L. upper limit on the cross-section multiplied by the t -> Wb branching fraction is measured to be sigma(qg -> t) x B(t -> Wb) < 3.9 pb. This upper limit can be converted into an upper limit of the coupling strength k_ugt/Lambda < 6.9 x 10^-3 TeV^-1 and k_cgt/Lambda < 1.6 x 10^-2 TeV^-1 and on the branching fractions B(t -> ug) < 5.7 x 10^-5 and B(t -> cg) < 2.7 x 10^-4.
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