Precise predictions for top-quark observables at the LHC in the presence of Z' and W' bosons

Basé sur le groupe de jauge SU (3) _C × SU (2) _L × U (1) _Y, le modèle standard (MS) de la physique des particules est une théorie fructueuse qui permet d’expliquer un grand nombre d'expériences jusqu’aux frontières d'intensités et d'énergies. Néanmoins, il est considéré comme incomplet et des manifestations de nouvelle physique sont attendues autour de l'échelle du TeV. L'unification du groupe de jauge du MS dans un groupe plus large et plus simple est théoriquement très intéressante. Dans cette optique, le MS est considéré comme une manifestation à basse énergie d’une théorie plus fondamentale.Ainsi, étant donné que les groupes d'unification possibles ont un rang supérieur à celui du MS, des sous-groupes supplémentaires tel que U(1) ou un deuxième groupe SU(2) peuvent entrer en jeu à un stade intermédiaire lors de la brisure de symétrie du groupe d'unification en groupe du MS. Il est intéressant de noter qu’un nouveau groupe facteur U(1) permet de prédire l’existence d’un boson de jauge supplémentaire noté Z' dans la littérature. D’autre part, SU(2) étant un groupe non-abélien ayant trois générateurs, il introduit alors trois bosons de jauge supplémentaires dont un est neutre et deux sont chargés et notés W'±.Dans ce manuscrit, nous étendons et améliorons un précédent calcul d'hadroproduction électrofaible de paires de quarks top dans des extensions du MS avec des nouvelles résonances lourdes de spin-1, neutres et chargées. En particulier, nous autorisons les couplages non diagonaux du boson Z' dans la base des saveurs et prenons en compte la production non résonnante dans le MS et au-delà, y compris les contributions des bosons W et W' dans le canal t. De plus, nous incluons les corrections QCD au deuxième ordre de la théorie des perturbations et les adaptons systématiquement aux cascades partoniques à travers la méthode POWHEG en tenant compte des effets d'interférences entre les amplitudes du MS et celles de la nouvelle physique. Nous considérons le modèle standard séquentiel, le modèle leptophobique Topcolour, la classe de modèles G (221), ainsi que le modèle d'hypercharge de la troisième famille avec des couplages Z' non diagonaux dans l’espace des saveurs qui a été proposé récemment pour expliquer les anomalies dans les désintégrations de mésons B. Nous présentons des résultats numériques pour les sections efficaces des paires de quark top dans des collisionneurs de hadrons avec une énergie dans le centre de masse allant jusqu'à 100 TeV. Par la suite, nous lions notre calcul à Contur (Constraints On New Theories Using Rivet), pour obtenir des limites d'exclusions sur l'espace des paramètres des différents modèles prédisant des bosons lourds supplémentaires pour le canal de production de paires de quarks top, en utilisant les données du grand collisionneur de hadrons (LHC). Dans le dernier chapitre, nous donnons une perspective sur le calcul des corrections QCD pour la production de l'état final top-bottom en présence de bosons W 'et Z'.The Standard Model (SM) of particle physics, based on the SU(3)_C × SU(2)_L × U(1)_Y gauge group, is an extremely successful theory that accounts for a wide range of high energy experiments at both the intensity and energy frontiers. Nevertheless it is widely believed to be incomplete, and manifestations of new physics are awaited to show up around the TeV scale. The unification of the SM gauge group in a larger, simple group, is theoretically very attractive. In this view, the SM is seen as an effective model valid at low energies. Thus, given the fact that the possible unification groups have a rank larger than the SM, additional subgroups like a U(1) or a second SU(2) may appear at intermediate stage when the unification group is broken down to the SM group. Interestingly, a new U(1) group factor predicts one additional gauge boson denoted Z′ in the literature. On the other hand, since SU(2) is a non-abelian group with three generators, an additional one leads to three gauge bosons of which one is neutral and two are charged and denoted W′± . In this manuscript, we extend and improve upon a previous calculation of electroweak top-quark pair hadroproduction in extensions of the SM with extra heavy neutral and charged spin-1 resonances. In particular, we allow for flavour-non-diagonal Z' couplings and take into account non-resonant production in the SM and beyond including the contributions with t-channel W and W′ bosons. All amplitudes are generated using the Recola2 package. We include NLO QCD corrections and consistently match to parton showers with the POWHEG method fully taking into account the interference effects between SM and new physics amplitudes. We consider the Sequential Standard Model, the lepto-phobic Topcolour model, the G(221) class of models, as well as the Third Family Hypercharge Model featuring non-flavour-diagonal Z′ couplings which has been proposed recently to explain the anomalies in B decays. We present numerical results for top-pair cross sections at hadron colliders with a centre-of-mass energy up to 100 TeV. Subsequently we link our calculation to Contur (Constraints On New Theories Using Rivet), to obtain exclusion limits on the parameter space of models with extra heavy gauge bosons in the top-pair channel using real particle level data from the Large Hadron Collider. In the last chapter we give an outlook on the calculation of QCD corrections to the production of the top bottom final state in the presence of W' and Z' bosons