[en] This dissertation presents a broad spectrum of physics analyses containing multiple leptons and $b$-tagged jets in their final state using data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider (LHC). The full Run 2 dataset is used period, which corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The dissertation is structured along two main axes. The first axis is centred around the measurement of the inclusive and differential cross section of the associated production of a top-quark pair and a $W$ boson ($t\bar{t}W$). This measurement is greatly motivated due to $t\bar{t}W$-like tensions in data reported by the ATLAS and CMS experiments. The theoretical modelling of this process is quite challenging due to non-negligible higher order corrections, resulting into a great effort to achieve an accurate simulation of this contribution. The measurement is performed both inclusively and differentially, where several observables are unfolded at particle level. The $t\bar{t}W$ prediction is measured to be consistently higher than the SM expectation with an inclusive signal strength of $\mu_{t\bar{t}W}$=1.46$^{+0.14}_{-0.13}$. The second axis focuses on searches for physics beyond the SM (BSM) and, particularly, on searches for leptoquarks. Leptoquarks are one of the most favoured BSM scenarios to describe the intriguing deviations reported in $B$-meson decays by the LHCb experiments and the $B$ factories. This thesis is targeting pair-produced leptoquarks with a mass in the TeV scale each coupling simultaneously into a top quark and a lepton ($e, \mu, \tau$-lepton). This effort is divided in two dedicated searches targeting $t\ell t\ell$ and $t\tau t\tau$ signatures, respectively. No significant excess is found in both searches, and the most restrictive to date upper limits are set on the signal cross section and the branching ratio as a function of the leptoquark mass for several scalar and vector leptoquark models. In the $t\ell t\ell$ search, a scalar leptoquark with a mass about 1.6 TeV is excluded at the 95\% confidence level, assuming it decays exclusively into $te$ or $t\mu$. The most stringent exclusion for a vector leptoquark reaches 2.0 TeV. In the $t\tau t\tau$ search, the corresponding exclusions for the same types of scalar and vector leptoquarks are about 1.4 TeV and 1.8 TeV, respectively. These searches are also combined with other leptoquark searches in ATLAS, significantly improving the sensitivity.

[es] Esta disertación presenta un amplio espectro de análisis físicos que contienen múltiples leptones y jets etiquetados como $b$-jets en el estado final, usando los datos de colisiones protón-protón a una energía del centro de masas de $\sqrt{s} = 13$ TeV registrados por el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). Se utiliza el conjunto de datos del Run 2 completo, que corresponde a una luminosidad integrada de 139 fb$^{-1}$. La disertación se estructura a lo largo de dos ejes principales. El primer eje se centra en la medición de la sección eficaz inclusiva y diferencial de la producción asociada de un par de quarks top y un bosón $W$ ($t\bar{t}W$). Esta medida está muy motivada debido a las tensiones observadas en el análisis de los datos por parte de los experimentos ATLAS y CMS. El modelado teórico de este proceso representa un gran desafío debido a correcciones de orden superior importantes, lo cual requiere un gran esfuerzo para lograr una simulación precisa de esta contribución. La medición se realiza tanto de manera inclusiva como diferencial, donde se corrigen por efectos experimentales varios observables. La sección eficaz de $t\bar{t}W$ se mide consistentemente más alta que la predicción del Modelo Estándar (SM, por sus siglas en inglés) por un factor de $\mu_{t\bar{t}W}$=1.46$^{\,+0.14}_{\,-0.13}$. El segundo eje se centra en la búsqueda de física más allá del SM (BSM, por sus siglas en inglés) y, en particular, en la búsqueda de leptoquarks. Los leptoquarks son uno de los escenarios BSM más favorecidos para describir las intrigantes desviaciones reportadas en las desintegraciones de mesones $B$ por parte de los experimentos LHCb y las fábricas de $B$. Esta tesis tiene como objetivo la producción de leptoquarks en pares con una masa en la escala del TeV, cada uno de los cuales se acopla simultáneamente con un quark top y un leptón ($e,\, \mu,\, \tau$-leptón). Este esfuerzo se divide en dos búsquedas dedicadas dirigidas a los estados finales $t\ell t\ell$ y $t\tau t\tau$, respectivamente. No se encuentra un exceso significativo en ambas búsquedas, y se establecen los límites superiores más restrictivos hasta la fecha en la sección eficaz de la señal, así como en la fracción de desintegración, en función de la masa del leptoquark para varios modelos de leptoquarks escalares y vectoriales. En la búsqueda de $t\ell t\ell$, se excluye un leptoquark escalar con una masa de aproximadamente 1.6 TeV con un nivel de confianza del 95\%, asumiendo que decae exclusivamente en $te$ o $t\mu$. La exclusión más estricta para un leptoquark vector alcanza los 2.0 TeV. En la búsqueda $t\tau t\tau$, las exclusiones correspondientes para los mismos tipos de leptoquarks escalares y vectoriales son de aproximadamente 1.4 TeV y 1.8 TeV, respectivamente. Estas búsquedas también se combinan con otras búsquedas de leptoquarks en ATLAS, mejorando significativamente la sensibilidad.