[en] Is our Standard Model (SM) of the fundamental particle interactions complete? Apparently, the answer is "no". Many theories have been proposed to explain what is currently not understood, like the nature of Dark Matter, or the reason why the Higgs boson is so light. Now that the Large Hadron Collider (LHC) at CERN is fully operational, it is possible for experiments like ATLAS to explore very high-energy regimes where new physics can be probed. The work presented in this dissertation consists of two analyses aimed at the discovery (or exclusion) of a signal from a new particle: a quark similar to the top quark (the heaviest particle of the Standard Model) but with a larger mass. This new "top-like" quark could be a simple replica of the SM top quark, just with higher mass, i.e. a chiral fourth-generation up-type quark, or it could have exotic features. The latter hypothesis is particularly interesting as many "beyond-Standard Model" theories predict new heavy so-called vector-like quarks. Both searches rely on a partial dataset of proton-proton collisions collected by the ATLAS experiment during the year 2012. These results are documented in two ATLAS public notes (ATLAS-CONF-2013-018 and ATLAS-CONF-2013-060) and are currently being updated with the full statistics. They are also part of a combined effort of different research teams within the ATLAS Exotics working group to explore additional signatures, including those from heavy vector-like bottom partners. The first analysis described focuses on pair production of heavy top-like quarks decaying into a W boson and a bottom quark, exactly like the top quark. In this case kinematic features of the decay process, namely the fact that the W boson from the heavy top will receive more boost than the W boson from the top, are exploited to reconstruct the mass of the particle and discriminate between a signal from new physics and background from Standard Model processes. The second analysis instead studies pair production of heavy top-like quarks, with at least one of them decaying into a Standard Model Higgs boson and a top quark. Here the complete reconstruction of the mass of the particle is difficult, since many jets are present in the final state, resulting in a high combinatorial background. This apparent disadvantage is instead used to build a discriminating variable sensitive to multiple decay modes of the heavy top-like pair, and exploiting the fact that few Standard Model processes can produce such high jet multiplicity, many of which originate from bottom quarks. Both searches are and kept independent from theoretical assumptions and orthogonal to each other so that it is possible to combine them and perform a quasi-model independent analysis, resulting in the most stringent limits on the mass of the heavy vector-like top partner. Indeed, this particle is excluded at 95% CL, independently on the model, for masses from 350 GeV and up to 550 GeV (almost up to 600 GeV). If instead an assumption on the model is made and vector-like tops are considered to be singlets of isospin, then we are able to exclude them at 95% CL for masses up to 670 GeV. A previous analysis that was performed in 2011 on data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV and that set the strategy for vector-like quark searches is not detailed in this dissertation but is documented in a paper published on Phys. Lett. B 718 (2013) 1284

[es] ¿Es el Modelo Estándar (Standard Model o SM) de las partículas elementales completo? Al parecer, la respuesta es "no". Un gran número de teorías intentando dar respuestas a preguntas como por ejamplo cuál es la naturaleza de la materia oscura, o cuál es la razón por la que el bosón de Higgs es tan ligero, han sido propuestas. Ahora que el Large Hadron Collider (LHC) en el CERN está en pleno funcionamiento, experimentos como ATLAS son capaces de explorar regímenes de muy alta energía, donde se puede testear la presencia de nueva física. El trabajo presentado en esta tesis consta de dos análisis diseñados para descubrir (o excluir) la existencia de una nueva partícula: un quark similar al quark top (la partícula más pesada del SM), "top-like", pero con una masa mucho más alta. Este nuevo quark exótico podría ser una simple réplica del quark top del SM, sólo mas masivo, es decir, una cuarta generación quiral de up-type quark, o podría tener una naturalez aún más exótica. Esta última hipótesis es particularmente interesante ya que muchas extensiones del SM predicen nuevos quarks llamados "vectoriales". Ambas búsquedas están basadas en el análisis de una muestra parcial de los datos acumulados por el experimento ATLAS en colisiones protón-protón durante el año 2012. Estos resultados están documentados en dos notas públicas (ATLAS-CONF-2013-018 y ATLAS-CONF-2013-060) y en la actualidad se están actualizando con las estadísticas completas. Estos análisis también son parte de un esfuerzo combinado de diferentes equipos de investigación dentro del grupo de trabajo ATLAS Exóticos, encaminados a explorar diferentes escenarios de quarks vectoriales, incluidos la posible existencia de un quark vectorial compañero del quark botom. El primer análisis descrito se centra en la producción de parejas de quarks vectoriales top-like que se desintegran en un bosón W y un quark bottom, de manera similar al quark top. En este caso, la características cinemáticas del proceso de desintegración, como el hecho de que el bosón W resultante es más energético en el caso del quark pesado, son explotadas para reconstruir la masa de la partícula y discriminar entre una posible señal de nueva física y el fondo de los procesos del Modelo Estándar. El segundo análisis descrito tambien estudia la producción de pares de quarks vectoriales top-like, pero requiriendo al menos uno de ellos desintegrándose en el bosón de Higgs del SM y un quark top. En este caso la reconstrucción de la masa de la partícula es extremadamente difícil debido a la presencia de un gran número de chorros de hadrones (jets), resultando en un elevado fondo combinatorio. Esta dificultad da lugar a la adopción de una estrategia completamente diferente, involucrando la construcción de una variable discriminante sensible a múltiples modos de desintegración de la pareja de quarks top-like, y explotando el hecho de que son pocos los procesos del SM que pueden producir tal multiplicidad alta de jets, muchos de los cuales proceden de quarks bottom. Ambos búsquedas son complementarias e independientes entre sí de modo que es posible combinarlas y realizar un análisis cuasi independiente del modelo, lo que resulta en las cotas más estrictas existentes sobre la masa de un quark vectorial top-like. De hecho, esta partícula con una masa en el rango de entre 350 GeV y 550 GeV (casi hasta 600 GeV) ha sido excluída con un nivel de confianza del 95%, independientemente del modelo. Bajo la suposición de que dichos quarks vectoriales son singletes de isospin, la exclusión en masa se extiende hasta 670 GeV.