Esta tesis presenta dos análisis dedicados a la búsqueda de nueva física en eventos de producción de quarks top únicos con datos recopilados por el detector ATLAS en el LHC. A pesar de su gran éxito, se cree que debe haber una teoría más general que subyace al Modelo Estándar de física de partículas que arroge luz a preguntas sin respuesta, como la asimetría de materia-antimateria del universo o la existencia de la Materia Oscura. Esta tesis cubre dos enfoques diferentes para abordar los dos temas anteriores. El objetivo del primer análisis es explorar la estructura del vértice Wtb a través de la medición de asimetrías angulares relacionadas con los observables de polarización del bosón W que utilizan eventos de quark top producidos en el canal t. El conjunto de datos corresponde a eventos de colisión protón-protón producidos con una energía de centro de masa de 8 TeV con una luminosidad total integrada de 20.2 / fb. Los eventos seleccionados contienen un leptón aislado (electrón o muón), gran momento transverso faltante y exactamente dos jets, con uno de ellos identificado como probable que contenga un B-hadrón. Se aplican requisitos de selección adicionales para separar los eventos de señal del canal t del fondo. Los observables de polarización del bosón W se extraen de asimetrías en distribuciones angulares del leptón cargado medidos con respecto a un eje de cuantización de espín definido. Las mediciones de las asimetrías se realizan a nivel de partón corrigiendo las distribuciones angulares observadas por los efectos del detector (resolución y eficiencia de selección) y la hadronización, después de restar las contribuciones de fondo. Los valores de polarización de bosón W medidos están de acuerdo con las predicciones del modelo estándar. Los resultados se utilizan para establecer límites en la parte imaginaria del acoplamiento anómalo gR de una manera independiente del modelo. El segundo análisis presenta una búsqueda de eventos con un quark top y una gran energía transversa faltante en el estado final. Tales estados finales no son posibles dentro del Modelo Estándar de física de partículas. El conjunto de datos corresponde a los datos de colisión protón-protón a una energía de centro de masa de 13 TeV recopilado por el detector ATLAS durante 2015 y 2016, que corresponde a una luminosidad integrada de 36.1 / fb. El canal con decaimiento leptonico del bosón W del quark top está cubierto en esta tesis. Los eventos seleccionados contienen exactamente un leptón aislado (electrón o muón), gran momento transverso faltante y exactamente un jet, identificado como probable que contenga un B-hadrón. Además, se aplican requisitos de selección adicionales para discriminar los eventos de señal del fondo. La forma de la distribución de energía transversa faltante se utiliza para ajustar los fondos esperados a los datos observados. Los resultados obtenidos se combinan con el análisis de la desintegración hadrónica del bosón W y se interpretan en el contexto de modelos genéricos para la producción de materia oscura. En ausencia de evidencia para cualquiera de estas señales, se obtienen límites superiores con un nivel de confianza del 95% en las secciones eficaces de producción correspondientes y estos límites se traducen en restricciones en el espacio de parámetros de los modelos considerados. Además de los dos análisis mencionados, en este manuscrito se presentan algunas contribuciones al alineamiento del detector interno ATLAS.This thesis presents two analyses devoted to the search of new physics in single-top-quark events with data collected by the ATLAS detector at the LHC. In spite of its great success, it is believed that there must be a more general theory underlying the Standard Model of particle physics which sheds light to unanswered questions such as the matter-antimatter asymmetry of the Universe or the existence of Dark Matter. This thesis covers two different approaches to address these two topics. The aim of the first analysis is to probe the structure of the Wtb vertex through the measurement of angular asymmetries related to W-boson polarization observables using single-top-quark events produced in the t-channel. The dataset corresponds to proton-proton collision events produced at a center-of-mass energy of 8 TeV with a total integrated luminosity of 20.2/fb. Selected events contain one isolated lepton (electron or muon), large missing transverse momentum and exactly two jets, with one of them identified as likely to contain a b-hadron. Further selection requirements are applied to further separate signal t-channel single-top-quark events from background. The W boson polarization observables are extracted from asymmetries in angular distributions of the charged lepton measured with respect to a defined spin quantization axes. The asymmetry measurements are performed at parton level by correcting the observed angular distributions for detector effects and hadronization after subtracting the background contributions. The measured W-boson polarization values are in agreement with the Standard Model predictions. The results are used to set limits on the imaginary part of the anomalous coupling gR in a model-independent way. The second analysis presents a search for events with one top quark and large missing transverse energy at the final state. Such final states are not possible within the Standard Model of particle physics. The dataset corresponds to proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the ATLAS detector during 2015 and 2016, corresponding to an integrated luminosity of 36.1/fb. The channel with leptonic decay of the W boson from the top quark is covered in this thesis. Selected events contain exactly one isolated lepton (electron or muon), large missing transverse momentum and exactly one jet, identified as likely to contain a b-hadron. In addition, further selection requirements are applied to discriminate signal events from background. The shape of the missing transverse energy distribution is used to fit the expected backgrounds to the observed data. The obtained results are combined with the analysis of the hadronic W boson decay and interpreted in the context of generic models for Dark Matter production. In the absence of evidence for any of these signals, 95% confidence level upper limits on the corresponding production cross-sections are obtained and these limits are translated into constraints on the parameter space of the considered models. In addition to the two mentioned analyses, some contributions to the alignment of the ATLAS inner detector are presented in this manuscript.