L’expérience ALICE a pour principal objectif l’étude et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Les quarkonia constituent l’une des plus intéressantes sondes (des états liés d’un quark lourd Q et de son anti-quark Q) du QGP. De plus, l’étude de la production des quarkonia est très intéressante puisqu’elle peut contribuer à une meilleure compréhension de la Chromodynamique Quantique, la théorie décrivant l’interaction forte. La formation d’états de quarkonia lors de collisions hadroniques n’est pas bien comprise. Les deux principales approches théoriques décrivant la production d’états de quarkonia, le ‘Color Singlet Model’ (CSM) et la QCD non-relativiste (NRQCD), ont montré des difficultés à décrire simultanément la section efficace de production et la polarisation de tels états. Expérimentalement, les mesures de la polarisation des quarkonia n’ont pas toujours été compatibles entre elles. Ainsi, que ce soit du point de vue expérimental ou théorique, l’étude des quarkonia est restée inachevée. De nouvelles méthodes récemment proposées ont souligné la nécessité de mesurer tous les paramètres de la polarisation, dans les différents systèmes de référence. Dans ce contexte, de nouvelles mesures peuvent améliorer les contraintes actuelles, voire apporter de nouvelles contraintes sur les prédictions. ALICE a mesuré la polarisation du J/ψ lors de collisions pp à √8 = 7 TeV. La plus grande statistique des données à 8 TeV par rapport aux données à 7 TeV permet d’étendre les mesures à une gamme de pT plus large. Cette thèse présente une mesure complète de la polarisation de J/ψ, i.e. les trois paramètres de polarisation, dans deux systèmes de référence différents: le système Collins-Soper et le système d’hélicité. Les résultats ne montrent aucune polarisation significative pour le J/ψ dans le domaine cinématique étudié : 2.5 < y < 4.0 et 2 < pT < 15 GeV/c. Le paramètre invariant λ a également été mesuré afin d’écarter le risque d’un biais dans la procédure d’analyse. La comparaison de ces résultats avec les prédictions théoriques montre que la production de quarkonia n’est pas encore correctement décrite. Aucun de ces modèles théoriques n’est capable de décrire à la fois les mesures de sections efficaces et de polarisation. / The main purpose of the ALICE experiment is the study and characterization of the Quark Gluon Plasma (QGP), a state of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined. Quarkonia (bound states of a heayvy quark Q and its anti-quark Q) constitute one of the most interesting probes of the QGP. Besides this motivation, the study of quarkonium production is very interesting since it can contribute to our understanding of Quantum Chromodynamics, the theory of strong interactions. The formation of quarkonium states in hadronic collisions is not yet completely understood. The two main theoretical approaches to describe the production of quarkonium states, the Color Singlet Model and the Non-Relativistic QCD framework (NRQCD), have historically presented problems to simultaneously describe the production cross section and polarization of such states. On the experimental side, quarkonium polarization measurements have not always been complete and consistent between them. So, neither from the theoretical nor from the experimental point of view the situation was clear.Improved methods for the measurement of quarkonium polarization have been recently proposed, highlighting the necessity to perform the measurements of all polarization parameters with respect to different reference axes. In this context, new measurements could help to improve and set new constraints to the calculations. ALICE has measured the J/ψ polarization in pp collisions at √8= 7 TeV. The higher statistics of the 8 TeV data with respect to the 7 TeV data allows to extend the pT range of the measurements. This thesis presents a complete measurement of J/ψ polarization, i.e. the three polarization parameters, in two polarization frames : the Collins-Soper and Helicity frames. The results show no significant J/ψ polarization in the kinematic domain studied: 2.5 < y < 4.0 and 2 < pT < 15 GeV/c. The measurement of a frame invariant parameter λ, was also performed to ensure that no bias was present in the analysis procedure. The comparison with different theoretical predictions shows that there is not yet a satisfactory description of quarkonium production. None of the present theoretical approaches is able to describe both, the cross section and polarization measurements.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes et de température de densité d'énergie. Les calculs de la ChromoDynamique Quantique (QCD) prédisent dans ces conditions une nouvelle phase de la matière dans laquelle on assisterait au déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premieres instants de la collision puis traversent le milieu produit durant la collision. Par conséquent, la mesure des quarkonia et des saveurs lourdes ouvertes devrait être particulièrement intéressante pour l'étude des propriétés du système créé aux premiers instants de la collision. On s'attend à ce que les saveurs lourdes ouvertes présentent des sensibilités à la densité d'énergie via les mécanismes de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu et que les quarkonia soient sensibles à la température initiale du système via leur dissociation par écrantage de couleur. La mesure du flot des saveurs lourdes devrait apporter des informations concernant le degré de thermalisation des quarks lourds dans le milieu nucléaire. De plus, l'observable viscosité/entropie pourrait être obtenue en combinant les mesures du facteur de modification nucléaire et de flot. En conséquence, l'étude de la production des quqrkonia et saveurs lourdes ouvertes est un domaine de recherche intensément étudié au niveau experimental et théorique. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie par paire de nucléon de 15 fois supérieure à celle du RHIC, le LHC entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. Un des plus importants aspects de ce domaine en énergie est l'abondante production de quarks lourds utilisés pour la première fois comme sonde de haute statistique du milieu. Le LHC délivra les premières collisions pp à √s = 0.9 TeV en octobre 2009 et a atteint l'énergie de √s = 7 TeV en mars 2010. Un run pp à √s = 2.76 TeV a eu lieu en mars 2011 pendant une durée limitée. Les runs Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV ont eu lieu fin 2010 et 2011. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est l'expérience dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds au LHC. ALICE enregiste aussi des collisions pp afin de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de x-Bjorken et de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et p-noyau. ALICE enregistrera aussi, début 2013, des collisions p-Pb/Pb-p afin d'étudier les effets nucléaires froids. Les quarkonia et saveurs lourdes ouvertes sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration (di)-muonique, (di)-electronique et hadronique. Cette thèse concerne l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp et Pb-Pb avec les muons simples mesurés aux rapidités avant avec le spectromètre à muons d'ALICE. Le document est structuré comme suit. Le premier chapitre est une introduction à la physique des collisions d'ions lourds et du diagramme de phase de la matière nucléaire. Le deuxième chapitre présente les objectifs de l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions proton-proton, proton-noyau et noyau-noyau. Un intérêt particulier est porté au domaine en énergie du LHC. Le troisième chapitre est une description du détecteur ALICE et du spectromètre à muons. Le quatrième chapitre présente les systèmes "online" et "offline". Le cinquième chapitre est un résumé des performances du spectromètre à muons pour la mesure des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp au moyen des muons simples et dimuons. Les chapitres 6 à 9 concernent l'analyse de données. Le sixième chapitre décrit l'analyse des premières collisions pp à √s = 0.9 TeV collectées avec ALICE. L'objectif principal était la compréhension de la réponse du détecteur. Ces données ont permis aussi fixer la stratégie d'analyse des saveurs lourdes ouvertes : sélection des événements, optimisation des coupures, différentes sources de bruit de fond à soustraire. Le septième chapitre présente la mesure de la section de production des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp à √s = 7 TeV. La méthode d'analyse est décrite. Cela concerne la sélection des collisions et traces reconstruites dans le spectromètre à muons, la soustraction du bruit de fond (composé principalement de muons issus de la désintégration de pions et kaons primaires), les corrections, la normalisation et la détermination des incertitudes systématiques. Les résultats expérimentaux sont discutés et comparés aux calculs perturbatifs QCD (calculs "Fixed Order Next-to-Leading Log"). Cela concerne les sections efficaces de production des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes aux rapidités avant (2.5 < y < 4) en fonction de la rapidité et de l'impulsion transverse (pt). Le huitième chapitre aborde la mesure des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV collectées en 2010. Les effets de milieu nucléaire sont étudiés à partir du facteur de modification nucléaire RAA. La référence pp est déterminée à partir de l'analyse des collisions pp à √s = 2.76 TeV. Le facteur de facteur modification nucléaire est étudié en fonction de pt et de la centralité de la collision. Pour comparaison, les résultats obtenus à partir de la mesure du facteur de modification nucléaire central sur périphérique (RCP) sont aussi présentés. Le neuvième chapitre commence par une revue des différentes méthodes utilisées pour la mesure de la composante de flot elliptique. Les méthodes telles que les cumulants et Lee-Yang Zeroes, permettant de supprimer les effets non-flot, sont détaillées. Des premiers résultats prometteurs concernant la mesure de la composante de flot elliptique des muons sont discutés. Ils sont obtenus avec différentes méthodes et présentés en fonction de pt et de la centralité de la collision. Le manuscrit se termine par une conclusion et des perspectives.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif l'étude d'un état de matière en interaction forte dans des conditions extrêmes de densité d'énergie et température, le plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites principalement lors de processus durs aux premiers instants de la collision et participent aux différentes étapes de la collision. Par conséquent, la mesure des saveurs lourdes ouvertes devrait permettre d'extraire des informations importantes concernant le système créé aux premiers instants de la collision. L'étude des collisions proton-proton (pp) fournit la référence indispensable pour la mesure des saveurs lourdes dans les systèmes lourds. Cette thèse est dédiée à l'étude de la production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux aux rapidités avant (2.5 < y < 4) dans les collisions pp sqrt (s) = 5.02 TeV, Pb-Pb à sqrt (sNN) = 2.76 et 5.02 TeV et Xe-Xe à sqrt (sNN) = 5.44 TeV enregistrées avec le détecteur ALICE au CERN-LHC. La mesure des sections efficaces différentielles de production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux dans les collisions pp à sqrt (s) = 5.02 TeV couvre un grand domaine en impulsion transverse de 2 à 20 GeV/c et ont une meilleure précision par rapport aux résultats publiés à sqrt (s) = 2.76 et 7 TeV. Les résultats sont en bon accord avec les calculs perturbatifs de QCD. Une importante suppression de la production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux est observée dans les collisions centrales (0-10%) Pb-Pb à sqrt (sNN) = 2.76 et 5.02 TeV. Cette suppression est attribuée au milieu dense et chaud formé dans ces collisions. L'influence de la taille du système est étudiée avec le système Xe-Xe à sqrt (sNN) = 5.44 TeV. La suppression est similaire à celle mesurée dans les collisions Pb-Pb. Les résultats obtenus dans les collisions Pb-Pb et Xe-Xe apportent des contraintes fortes aux paramètres des modèles. / The study of ultra-relativistic heavy-ion collisions aims at investigating a state of strongly-interacting matter at high energy density and temperature, the Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm and beauty) are predominantly produced in initial hard scattering processes during the early stage of the collisions and experience the full evolution of the medium. Therefore, the measurement of open heavy flavours should provide essential information on the QGP properties. Similar measurements in small systems are also essential for a comprehensible understanding of the QGP properties. The study of open heavy flavours in proton-proton (pp) collisions provides the mandatory reference for measurements in heavy-ion collisions. This thesis presents measurements of the production of muons from heavy-flavour hadron decays at forward rapidity (2.5 < y < 4) in pp collisions at sqrt (s) = 5.02 TeV, Pb-Pb collisions at sqrt (sNN) = 2.76 and 5.02 TeV and Xe-Xe collisions at sqrt (sNN) = 5.44 TeV collected with the ALICE detector at the CERN-LHC. The differential production cross sections of muons from heavy-flavour hadron decays in pp collisions at sqrt (s) = 5.02 TeV are obtained in a wide transverse momentum interval, 2 < pT < 20 GeV/c, and with an improved precision compared to the previously published measurements at sqrt (s) = 2.76 and 7 TeV. The measurements are described within uncertainties by predictions based on perturbative QCD. A strong suppression of the yield of muons from heavy-flavour decays is observed in the 10% most central Pb-Pb collisions at both sqrt (sNN) = 2.76 and 5.02 TeV. This suppression is due to final-state effects induced by the hot and dense medium. The suppression in Xe-Xe collisions is similar to that observed with Pb-Pb collisions. The comparison in the two colliding systems provides insight in the path-length dependence of medium-induced parton energy loss. The results constrain model calculations.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes et de température de densité d'énergie. Les calculs de la ChromoDynamique Quantique (QCD) prédisent dans ces conditions une nouvelle phase de la matière dans laquelle on assisterait au déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premieres instants de la collision puis traversent le milieu produit durant la collision. Par conséquent, la mesure des quarkonia et des saveurs lourdes ouvertes devrait être particulièrement intéressante pour l'étude des propriétés du système créé aux premiers instants de la collision. On s'attend à ce que les saveurs lourdes ouvertes présentent des sensibilités à la densité d'énergie via les mécanismes de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu et que les quarkonia soient sensibles à la température initiale du système via leur dissociation par écrantage de couleur. La mesure du flot des saveurs lourdes devrait apporter des informations concernant le degré de thermalisation des quarks lourds dans le milieu nucléaire. De plus, l'observable viscosité/entropie pourrait être obtenue en combinant les mesures du facteur de modification nucléaire et de flot. En conséquence, l'étude de la production des quqrkonia et saveurs lourdes ouvertes est un domaine de recherche intensément étudié au niveau experimental et théorique. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie par paire de nucléon de 15 fois supérieure à celle du RHIC, le LHC entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. Un des plus importants aspects de ce domaine en énergie est l'abondante production de quarks lourds utilisés pour la première fois comme sonde de haute statistique du milieu. Le LHC délivra les premières collisions pp à √s = 0.9 TeV en octobre 2009 et a atteint l'énergie de √s = 7 TeV en mars 2010. Un run pp à √s = 2.76 TeV a eu lieu en mars 2011 pendant une durée limitée. Les runs Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV ont eu lieu fin 2010 et 2011. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est l'expérience dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds au LHC. ALICE enregiste aussi des collisions pp afin de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de x-Bjorken et de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et p-noyau. ALICE enregistrera aussi, début 2013, des collisions p-Pb/Pb-p afin d'étudier les effets nucléaires froids. Les quarkonia et saveurs lourdes ouvertes sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration (di)-muonique, (di)-electronique et hadronique. Cette thèse concerne l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp et Pb-Pb avec les muons simples mesurés aux rapidités avant avec le spectromètre à muons d'ALICE. Le document est structuré comme suit. Le premier chapitre est une introduction à la physique des collisions d'ions lourds et du diagramme de phase de la matière nucléaire. Le deuxième chapitre présente les objectifs de l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions proton-proton, proton-noyau et noyau-noyau. Un intérêt particulier est porté au domaine en énergie du LHC. Le troisième chapitre est une description du détecteur ALICE et du spectromètre à muons. Le quatrième chapitre présente les systèmes "online" et "offline". Le cinquième chapitre est un résumé des performances du spectromètre à muons pour la mesure des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp au moyen des muons simples et dimuons. Les chapitres 6 à 9 concernent l'analyse de données. (...) / Résumé indisponible

La haute densité d’énergie atteinte au Large Hadron Collider (LHC) au CERN permet une production abondante de sondes dures, telles que quarkonia, jets à haute impulsion transverse (p_T) et bosons vecteurs (W, Z), qui sont produits lors de la collision partonique initiale. Les bosons vecteur se désintègrent avant la formation du Plasma de Quark et de Gluons (PQG), une phase déconfinée de la matière, qui peut être produite lors de collisions d’ions lourds ultra-relativistes. Les leptons issus de la désintégration des bosons électrofaibles ne sont pas sensibles à l’interaction forte avec le PQG. Pour ces raisons les bosons électrofaibles fournissent une référence pour l’étude des modifications induites par le milieu sur les sondes colorées.La production de bosons W en collisions pp à √s=8 TeV et en collisions p-Pb à √s_NN=5.02 TeV est mesurée dans le canal de désintégration muonique au LHC avec le détecteur ALICE. En collision pp, la gamme de rapidité couverte par la mesure est -4<y_cms<-2.5. En collision p-Pb, la différence d’énergie entre le proton et l’ ion plomb donne lieu à un décalage en rapidité. En inversant la direction des faisceaux, il est possible de couvrir les régions de rapidité -4.46<y_cms<-2.96 et 2.03<y_cms<3.53. Les résultats présentés dans cette thèse consistent dans la mesure de la section efficace de la production de muons avec pT>10GeV/c issus de la désintégration des bosons W+ et W-. La mesure de l’asymétrie de charge, définie comme la différence des taux de production des muons positifs et négatifs divisée par leur somme, est également effectuée. Les résultats sont comparés avec des calculs théoriques obtenus avec ou sans tenir compte des modifications des fonctions de distribution partonique dans les noyaux. La production du boson W est aussi étudiée en fonction de la centralité des collisions : nous observons que, dans les erreurs expérimentales, la section efficace des muons issus de la désintégration du boson W est proportionnelle aux nombre de collisions binaires entre les nucléons. / The high collision energies available at the LHC allow for an abundant production of hard probes, such as quarkonia, high-p_T jets and vector bosons (W, Z), which are produced in initial hard parton scattering processes. The latter decay before the formation of the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is a deconfined phase of QCD matter produced in high-energy heavy-ion collisions. Their leptonic decay products do not interact strongly with the QGP. Thus electroweak bosons introduce a way for benchmarking in-medium modifications to coloured probes. The production of W-boson in pp collisions at √s=8 TeV and p-Pb collisions at √s_NN=5.02 TeV are measured via the muonic decay channel at the LHC with the ALICE detector. In pp collisions the rapidity covered by the measurement is -4<y_cms<-2.5. In p-Pb collisions, on the other hand, the different energies of the proton and lead ion give rise to a rapidity shift. By exchanging the direction of the beams, it is possible to cover the rapidity ranges -4.46<y_cms<-2.96 and 2.03<y_cms<3.53. The production cross section and charge asymmetry of muons from W-boson decays with p^μT>10 GeV/c are determined. The results are compared to theoretical calculations both with and without including the nPDFs. The W-boson production is also studied as a function of the collision centrality: the cross section of muons from W-boson decays is found to scale with the average number of binary nucleon-nucleon collisions with uncertainties.