The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Abstract

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances.

Using the most recent data collected by the ATLAS detector in pp collisions delivered by the LHC at 7 and 8 TeV, this thesis shall establish severe constraints on a variety of models going beyond the Standard Model (SM) of particle physics. More particularly, two types of hypothetical particles, existing in various theoretical models shall be studied and probed. The first type will be the search for vector-like quarks (VLQ) produced in pp collisions through electroweak couplings with the u and d quarks. The quest for these particles will be made as they decay into either W(lν)+jet or Z(ll)+jet. There exist theoretical arguments that establish that, under certain reasonable conditions, single production of VLQ dominates over production in pairs. The particular topology of such events enables the implementation of effective techniques to extract signal over electroweak background. The second type is the search for resonant particles decaying to WZ when the gauge bosons W and Z decay leptonically. The final states detected by ATLAS therefore contain three leptons (e, or μ) and missing transverse energy. The distribution of the invariant mass of these objects will then be examined to determine the presence or absence of new resonances that manifest themselves as localized excesses in m(WZ). Despite the fact that, at first glance, these two new types of particles have very little in common, they are in fact both closely linked to electroweak symmetry breaking. In many theoretical models, the hypothetical existence of VLQ is put forward to counteract the top quark’s contribution to radiative loop corrections of the Higgs mass, a calculation which assumes that the Higgs is an elementary particle. Concurrently, other models foretelling the existence WZ resonances alternatively suggest that the Higgs is a composite particle, completely rewriting the whole Higgs sector of the SM. In this perspective, the two analyses presented in this thesis have a fundamental link with the very nature of the Higgs, thereby extending our knowledge of the origin of particle masses. Ultimately, the two analyses did not observe any significant excess in their respective signal regions, paving the way for the computations of limits on the production cross section as a function of the mass of the resonances.