Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes représentent le seul moyen pour appréhender en laboratoire le diagramme de phase de la QCD, la théorie de l'interaction forte. Les prédictions théoriques les plus récentes, obtenues par la technique de calcul sur réseau, prévoient une transition de phase entre la matière nucléaire froide (un gaz hadronique) et un plasma de quarks et de gluons (milieu déconfiné). Parmi les différentes sondes expérimentales possibles, l'intérêt des saveurs lourdes est en principe de pouvoir caractériser le milieu produit lors d'une collision entre ions lourds, mais également de pouvoir obtenir des informations sur son évolution spatio-temporelle. Leur étude peut se faire entre autres par le biais de leur canal de désintégration en muons. Cette Habilitation à Diriger des s développe dans une première partie la problématique des collisions d'ions lourds ultra-relativistes, en mettant l'accent sur l'étude des saveurs lourdes. Dans une deuxième partie, les résultats obtenus auprès du collisionneur RHIC (BNL, New York) sont passés en revus, et l'analyse du spectre en masse des dimuons menée au sein de l'expérience PHENIX est détaillée. Enfin, la troisième partie décrit d'une part les développements instrumentaux réalisés pour le système de déclenchement des muons dans l'expérience ALICE auprès du LHC (CERN, Genève), et d'autre part les performances attendues pour l'étude des dimuons.

Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules scalaires octets de couleur dans les données de l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Pour une large gamme de masse, la désintégration de ces scalaires en deux partons du MS domine. Cela motive la recherche de ces nouveaux scalaires dans des états finaux multijet, où ils se signaleraient comme des résonances dijet. Comme les nouveaux scalaires sont produits par paires, un état final contenant au moins quatre jets est utilisé comme environnement de recherche. Une méthode est développée pour extraire une possible résonance multijet scalaire du grand fond QCD et est utilisée pour chercher de tels scalaires dans les données de l'expérience ATLAS collectées en 2010 et 2011. Les données sont en accord avec l'estimation du fond et des limites sont posées sur la section efficace de production des scalaires en fonction de leur masse. En interprétant ces limites dans des modèles de supersymétrie, le gluon scalaire du MRSSM et du modèle hybride N=1/N=2 est exclu à 95 % CL entre 100 et 287 GeV. Les limites sont aussi interprétées dans un modèle de symétrie de jauge à la QCD, où le sgluon est remplacé par l'hyperpion qui est exclu dans une gamme de masse légèrement plus restreinte de part sa section efficace plus faible. / This thesis describes the search for new color-octet scalar particles in the ATLAS experiment data at the Large Hadron Collider (LHC). For a wide range of mass, the decay of the scalar to two SM partons dominates. This motivates the search for these new scalars in multijet final states, where they would manifest as dijet resonances. As the new scalars are products in pairs, a final state containing at least four jets is used as a search environment. A method is developed to extract a possible scalar resonance from the multijet QCD background and is used to search for such scalar in the data from the ATLAS experiment collected in 2010 and 2011. The data are in agreement with the estimation of the background and limits are set on the scalar production cross section as a function of the scalar mass. Interpreting these limits in models of supersymmetry, the scalar gluon of the MRSSM and of the hybrid N=1/N=2 model is excluded at the 95 % CL between 100 and 287 GeV. Limits are also interpreted in a model of gauge symmetry à la QCD, where the sgluon is replaced by the hyperpion excluded in a mass range slightly smaller because of its smaller cross section.

Le sujet de cette thèse est le calcul ab initio de masses en QCD sur réseau.Dans la première partie on reconstruit le spectre des hadrons légers de la QCD. En utilisant une action de jauge de Lüscher-Weisz et une action fermionique de Wilson clover qui couplent par le biais de liens ayant subi six étapes de smearing stout, on extrait les masses de hadrons légers dans simulations à $N_f=2+1$ saveurs. Ces masses sont en accord avec l'expérience avec une précision de l'ordre de quelques pourcents et tous les erreurs systématiques sont contrôlées.Dans la seconde partie, on détermine les masses de quarks légers. L'action est la même que précédement mais on utilise deux étapes de smearing hex. Les simulations sont réalisées à la masse du pion et on utilise cinq réseaux pour prendre la limite du continu, éliminant de ce fait une grande source d'erreur systématique. La renormalisation est effectuée à la Rome-Southampton pour ne pas induire d'incertitudes dues à la théorie des perturbations. On obtient ainsi les premiers résultats au point physique atteignant une précision inférieure à 5%. / The main topic of this thesis is the computation ab initio of masses from lattice QCD.In the first part, the light hadron spectrum is computed. Thanks to a Lüscher-Weisz gauge action and a clover Wilson action describing with the quarks with six levels of stout-smearing, light hadron masses are extracted from simulations with $N_f=2+1$ flavors. These masses agree with experiment with a few percent accuracy and all the systematic errors are under control.In the second part, the light quark masses are determined. We use the same action as previously but with two levels of hex smearing. The simulations are done at the physical point mass and five lattice spacings are used to take a safe conitnuum limit, thus eliminating a higher source of systematice incertitude. Renormalization is perfo,rmed non perturbatively à la Rome-Southampton, thereby suppressing perturbative errors. We obtain in this work the first full non perturbative resultats at the physical point with a high accuracy since we obtain an error of about 5%.

Nous introduisons un formalisme adéquat pour étudier les collisions hadroniques dans la limite de haute énergie en chromodynamique quantique (QCD), et la transition vers le régime de saturation. Dans ce formalisme, nous redérivons les résultats connus nécessaires pour présenter nos recherches personnelles, et nous calculons différentes sections efficaces dans le contexte de la diffraction dure et de la production de particules. Nous étudions la transition vers le régime de saturation dans le cadre de l'équation BK; en particulier, nous dérivons certaines propriétés de ses solutions. Nous appliquons nos résultats à la diffusion profondément inélastique et nous montrons que, dans le domaine d'énergie du collisionneur HERA, les prédictions de la QCD à haute énergie sont en bon accord avec les données. Nous considérons aussi la production de jets dans les collisions hadroniques et discutons des possibilités de tester la saturation au LHC.

When hadrons scatter at high energies, strong color fields, whose dynamics is described by quantum chromodynamics (QCD), are generated at the interaction point. If one represents these fields in terms of partons (quarks and gluons), the average number densities of the latter saturate at ultrahigh energies. At that point, nonlinear effects become predominant in the dynamical equations. The hadronic states that one gets in this regime of QCD are generically called "color glass condensates". Our understanding of scattering in QCD has benefited from recent progress in statistical and mathematical physics. The evolution of hadronic scattering amplitudes at fixed impact parameter in the regime where nonlinear parton saturation effects become sizable was shown to be similar to the time evolution of a system of classical particles undergoing reaction-diffusion processes. The dynamics of such a system is essentially governed by equations in the universality class of the stochastic Fisher-Kolmogorov-Petrovsky-Piscounov equation, which is a stochastic nonlinear partial differential equation. Realizations of that kind of equations (that is, "events" in a particle physics language) have the form of noisy traveling waves. Universal properties of the latter can be taken over to scattering amplitudes in QCD. This review provides an introduction to the basic methods of statistical physics useful in QCD, and summarizes the correspondence between these two fields and its theoretical and phenomenological implications.

Le proton est un objet composite, constitué d'une collection de partons, quarks et gluons, qui interagissent selon les lois de la chromodynamique quantique (QCD). Dans cette thèse, on expose une formulation hamiltonienne de cette théorie dans le repère du cône de lumière.<br /><br />On retrouve dans ce cadre les équations d'évolution des partons en impulsion transverse (équation DGLAP), et longitudinale (équation BFKL). Cette dernière se présente ici sous la forme du modèle des dipôles de couleur. On transpose dans ce formalisme l'ensemble des calculs nécessaires à nos recherches personnelles, portant sur le développement et les applications du modèle des dipôles.<br /><br />Ce modèle est ajusté aux données expérimentales d'HERA pour les fonctions de structure inclusives, qui sont reliées aux sections efficaces d'interaction électron-proton. La contribution à celles-ci de la production de particules charmées est prédite, en bon accord avec l'expérience. D'autre part, l'importance phénoménologique de certaines composantes sous-dominantes de l'équation BFKL (de spin conforme non nul), qui apparaissent comme solutions des équations d'évolution, est démontrée: on compare leur effet à celui du poméron mou de Donnachie-Landshoff.<br /><br />On montre sur des observables particulières l'équivalence entre la formulation hamiltonienne et une formulation covariante de la QCD, et on l'applique à la détermination de la densité effective de dipôles primordiaux à l'origine d'un jet vers l'avant qui se matérialise quelquefois dans l'état final d'une réaction de diffusion profondément inélastique ou d'une diffusion de protons.<br /><br />Enfin, le processus de diffraction dure, plus exclusif, est considéré dans l'approche BFKL. Sur le plan phénoménologique, une étude des données des expériences d'HERA dans le cadre du modèle des dipôles est présentée. Sur le plan théorique, le calcul des composantes de spin conforme non nul de l'équation BFKL pour la production diffractive de photons est effectué.

Le sujet de cette thèse sont les amplitudes d'hélicités de la leptoproduction exclusive et diffractive du méson rho dans la limite de Regge perturbative et au-delà du twist dominant. La compréhension de pareils processus exclusifs en termes des constituants élémentaires de QCD est un important défi pour comprendre la structure des hadrons. On présente ici deux nouveaux modèles phénoménologiques basés sur la kT-factorisation des amplitudes d'hélicités en un facteur d'impact γ*(λ) → ρ(λ'), où λ et λ' dénotent les polarisations du photon virtuel et du méson rho, et le facteur d'impact du nucléon cible. Les facteurs d'impacts γ*(λ) → ρ(λ') sont calculés en utilisant la factorisation colinéaire pour séparer la partie molle du méson rho. Le premier modèle est obtenu en combinant les résultats respectivement de twist 2 et twist 3 des facteurs d'impacts où les deux polarisations sont longitudinales ou transverses, avec un modèle pour le facteur d'impact du nucléon et un modèle pour les distributions d'amplitudes du méson rho. Dans la seconde approche présentée dans cette thèse, on calcule ces facteurs d'impacts dans l'espace des paramètres d'impacts et on montre que l'amplitude de diffusion d'un dipôle de couleur avec le nucléon se factorise, permettant de combiner nos résultats avec un modèle de section efficace de dipôle. On obtient en très bon accord avec les données de H1 et ZEUS pour des virtualités plus grandes que quelques GeV. Nous discutons les résultats obtenus et les comparons à d'autres modèles existants.

Une étude non-perturbative des corélateurs en QCD est présentée. La méthode principale employée<br />est la simulation numérique sur réseau. Cet outil a été largement utilisé en phénoménologie,<br />mais il peut aussi servir pour étudier les paramètres fondamentaux de la théorie (tels que la<br />constante de couplage) et ses propriétés fondamentales. Ceci est le but principal de la présente<br />thèse. Nous avons étudié les fonctions de corrélation de la théorie Yang-Mills pure en jauge<br />de Landau, notamment les propagateurs du gluon et du fantôme. Nous nous sommes particulièrement<br />intéressés au paramètre LQCD qui est extrait à l'aide des prédictions de la théorie des<br />perturbations (jusqu'à l'ordre NNNLO). Les corrections dominantes en puissance sont aussi considérées,<br />nous montrons qu'elles sont importantes même à des énergies assez grandes (de l'ordre<br />de 10 GeV). Une méthode de soustraction de ces termes correctifs est proposée, ce qui permet<br />une meilleur estimation de LQCD. Notre résultat final est Lambda_nf_MSbar = 269(5)+12−9 MeV. Une autre<br />question que nous considéons est celle du comportement infrarouge des fonctions de Green (aux<br />énergies de l'ordre de ou inférieur à LQCD). A ces énergies le comportement des fonctions de<br />Green change de manière radicale, et cela est probablement lié au confinement. Nous cherchons<br />à clarifier la nature de ces changements afin de comprendre ses origines. Beaucoup de questions<br />se posent: l'ambigu¨té de Gribov, la portée de diverses relations non-perturbatives entre les<br />fonctions de Green, la cohéence de l'approche nuérique aux petites énergies. Les simulations<br />sur réseau permettent de vérifier les prédicitons analytiques, elles donnent accès aux corrélateurs<br />non-perturbatifs. Notre analyse suggère que le propagateur du gluon est fini et non nul dans<br />l'infrarouge, et que le comportement en puissance du propagateur du fanôme est le même que<br />dans le cas libre.

Lorsque l'impulsion longitudinale des partons contenus dans un hadron ultra-relativiste diminue, on observe un accroissement de leur densité. Quand la densité approche une valeur d'ordre $1/\alpha_s$, elle n'augmente plus, elle sature. Ces effets de haute densité semblent être correctement décrits par la théorie effective du "Color Glass Condensate". Du point de vue expérimental, le LHC est le meilleur outil jamais disponible pour atteindre la phase saturée de la matière hadronique. Pour cette raison, la physique de la saturation est une branche très active de la QCD dans les années passées et à venir car la théorie et les expériences peuvent être comparées. En premier lieu, je discute de la phénoménologie des collisions proton-plomb qui ont eu lieu à l'hiver 2013 et dont les données sont sur le point d'être disponibles. Je calcule la section efficace pour la production de deux gluons qui est l'observable la plus simple pour trouver des preuves quantitatives de la saturation dans le régime cinématique du LHC. Je traite également la limite des états finaux fortement corrélés à grandes impulsions transverses et, par la même occasion, généralise la distribution de partons au régime dense. Le second sujet principal est l'évolution quantique des spectres de gluons et de quarks dans les collisions noyau-noyau, ayant à l'esprit son caractère universel. Ce résultat est déjà connu pour les gluons et je détaille ici le calcul avec attention. Pour les quarks, l'universalité n'a toujours pas été prouvée mais je dérive une formule de récursion intermédiaire entre l'ordre dominant et l'ordre sous-dominant qui constitue une étape cruciale dans l'extraction de l'évolution quantique. Enfin, je présente brievement un travail indépendant de théorie des groupes. Je détaille une méthode personnelle permettant de calculer des traces impliquant un nombre arbritraire de générateurs, une situation souvent rencontrée dans les calculs de QCD.

Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules scalaires octets de couleur dans les données de l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Pour une large gamme de masse, la désintégration de ces scalaires en deux partons du MS domine. Cela motive la recherche de ces nouveaux scalaires dans des états finaux multijet, où ils se signaleraient comme des résonances dijet. Comme les nouveaux scalaires sont produits par paires, un état final contenant au moins quatre jets est utilisé comme environnement de recherche. Une méthode est développée pour extraire une possible résonance multijet scalaire du grand fond QCD et est utilisée pour chercher de tels scalaires dans les données de l'expérience ATLAS collectées en 2010 et 2011. Les données sont en accord avec l'estimation du fond et des limites sont posées sur la section efficace de production des scalaires en fonction de leur masse. En interprétant ces limites dans des modèles de supersymétrie, le gluon scalaire du MRSSM et du modèle hybride N=1/N=2 est exclu à 95 % CL entre 100 et 287 GeV. Les limites sont aussi interprétées dans un modèle de symétrie de jauge à la QCD, où le sgluon est remplacé par l'hyperpion qui est exclu dans une gamme de masse légèrement plus restreinte de part sa section efficace plus faible.