A complete, fundamental understanding of the proton must include knowledge of the underlying spin structure. The transversity distribution, h1(x), which describes the transverse spin structure of quarks inside of a transversely polarized proton, is only accessible through channels that couple h1(x) to another chiral odd distribution, such as the Collins fragmentation function (ΔN Dπ/q↑(z,jT)). Significant Collins asymmetries of charged pions have been observed in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) data. These SIDIS asymmetries combined with e+e- process asymmetries have allowed for the extraction of h1(x) and ΔN Dπ/q↑(z,jT). However, the current uncertainties on h1(x) are large compared to the corresponding quark momentum and helicity distributions and reflect the limited statistics and kinematic reach of the available data. In transversely polarized hadronic collisions, Collins asymmetries may be isolated and extracted by measuring the spin dependent azimuthal distributions of charged pions in jets. This thesis will report on the first statistically significant Collins asymmetries extracted from √ s = 200 GeV hadronic collisions using 14 pb-1 of transversely polarized proton collisions at 57% average polarization.

We have measured the flavor dependence of multiplicities for $\\pi^+$ and $\\pi^-$ production in semi-inclusive deep-inelastic scattering (SIDIS) on proton and deuteron targets. We used a 10.6 GeV electron beam at Jefferson Lab, and 4 msr solid angle spectrometers (HMS for electrons, SHMS for pions), the lepton vertex spanned the kinematic range $0.3 < x < 0.6$, $2 < Q^2 < 5$ GeV$^2$, and $4 < W^2 < 11$ GeV$^2$. The pion fractional momentum range was $0.3 < z < 0.7$ and the small transverse momentum range was $0 < P_t < .25$ GeV. We used the multiplicities to form sum-and-difference ratios, testing the validity of factorization. We extracted two favored and two unfavored $W$ dependent fragmentation functions (FFs) from these multiplicities. Assuming factorization at low $P_t$, we find that the two ``favored" FFs allow for isospin breaking (charge symmetry violation) at low $W$, while converging to a common value at the highest $W$ of this experiment. The two unfavored FFs are consistent with each other within the experimental uncertainties.

Understanding the nucleon structure is currently one of the main challenges encountered in nuclear physics. The present work represents a contribution to the study of the nucleon structure and deals, in particular, with the study of the role of strange quarks in the nucleon. The latter can be investigated by determing the strange quark distribution in the nucleon as well as the contribution of the spins of strange quarks to the nucleon spin ($\Delta s$). This work first presents a measurement of $\Delta s$ performed via Deeply Inelastic Scattering of a muon beam off polarized proton and deuterium targets. The result is found to be strongly dependent on the quark fragmentation functions into hadrons (FFs), which define the probability that a quark of a given flavour fragments into a final state hadron. The FFs are poorly known, in particular, the FF of strange quark into kaons, which play an important role in the determination of $\Delta s$. In deep inelastic scattering process, the access to the FFs is provided by the hadron multiplicities which, in turn, define the average number of hadrons produced per DIS event. Pion and kaon multiplicities have been extracted versus different kinematic variables, using DIS data collected by deeply inelastic scattering of a $160$ GeV muons off a deuterium target. A first LO extraction of the fragmentation functions has then been performed using the measured pion and kaon multiplicities.

Title: Study of jet fragmentation and inclusive jet production in heavy-ion colli- sions with the ATLAS experiment Author: Mgr. Radim Slovák Institute: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor: Mgr. Martin Spousta, Ph.D., Institute of Particle and Nuclear Physics, Charles University Abstract: This thesis presents two measurements - measurement of the jet frag- mentation functions and inclusive jet production in heavy-ion collisions. The frag- mentation functions are measured in Pb+Pb and pp collisions with the ATLAS detector at the LHC. The distributions are measured as a function of jet trans- verse momentum and rapidity. The analysis utilises an integrated luminosity of 0.14 nb−1 of Pb+Pb data and 4.0 pb−1 of pp data collected in 2011 and 2013, respectively, at the same centre-of-mass energy of 2.76 TeV. Modest but signif- icant centrality-dependent modifications of fragmentation functions in Pb+Pb collisions with respect to those in pp collisions are seen. Measurements of the yield and nuclear modification factor, RAA, for inclusive jets are performed us- ing 25 pb−1 of pp data at √ s = 5.02 TeV and 0.49 nb−1 of Pb+Pb data at √ sNN = 5.02 TeV. The jets are measured over the transverse momentum range of 100-1000 GeV in six rapidity intervals covering |y| < 2.8. The magnitude of the RAA...

One of the goals of the COMPASS experience is the study of the nucleon spin structure. Data were taken from a polarized muon beam (160 GeV/c) scattering off a polarized target (6LiD or NH3). In this context, the need of a precise knowledge of quark Fragmentation Functions (final-state hadronisation of quarks q into hadrons h, FFs) was raised. The FFs can be extracted from hadron multiplicities produced in Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS). This thesis presents the measurement of charged hadrons (pions and kaons) multiplicities from SIDIS data collected in 2006. The data cover a large kinematical range: Q2>1 (GeV/c)2, y є [0.1,0.9], x є [0.004,0.7] and W є [5,17] GeV. These multiplicities provide an important input for global QCD analyses of world data at NLO, aiming at the FFs determination. / L'un des objectifs de l'expérience COMPASS est l'étude de la structure du nucléon de spin. Les données ont été prises à partir d'un faisceau de muons polarisée (160 GeV/c) diffuse sur une cible polarisée (6LiD ou NH3). Dans ce contexte, la nécessité d'une connaissance précise des fonctions de fragmentation des quarks (état final du hadronisation de quarks q en hadrons h, FFs) a été soulevée. Le FFs peuvent être extraites de multiplicités de hadrons produits en Semi-Inclusive diffusion profondément inélastique (SIDIS). Cette thèse présente la mesure de la multiplicité de hadrons charge (pions et kaons) à partir de données SIDIS collectées en 2006. Les données couvrent un large domaine cinématique : Q2>1 (GeV/c)2, y є [0.1,0.9], x є [0.004,0.7] and W є [5,17] GeV. Ces multiplicités fournissent un apport important pour l'analyse des données mondiales au 2ème ordre de QCD, visant la détermination de FFs.

L'étude de la structure du nucléon est actuellement l'un des principaux défis rencontrées en physique nucléaire. Le présent travail représente une contribution à l'étude de la structure du nucléon et consiste, en particulier, à étudier le rôle des quarks étranges dans le nucléon. Ce dernier peut être examiné en déterminant la distribution des quarks étranges dans le nucléon ainsi que la contribution des spins des quarks étranges au spin du nucléon ($\Delta s$). Ce travail présente une mesure de $\Delta s$ effectuée en utilisant des données de diffusion profondément inélastique de muons polarisés sur une cible de protons et de deutons polarisés, collectées par la collaboration COMPASS. Le résultat dépend fortement des fonctions de fragmentation des quarks en hadrons, qui définissent la probabilité qu'un quark d'une certaine saveur se fragmente en un hadron dans l'état final. Actuellement, les fonctions de fragmentation sont mal connues, en particulier, la fonction de fragmentation des quark étranges en kaons, qui joue un rôle essentiel dans la détermination de $ \Delta s$. En diffusion profondément inélastique, l'accès à ces fonctions est assuré par les multiplicités des hadrons qui, à leur tour, définissent le nombre moyen de hadrons produit par évènement de diffusion inélastique. Les multiplicités des pion et des kaons ont été extraites en fonction de différentes variables cinématiques, en utilisant les données de COMPASS. Une première extraction au leading order des fonctions de fragmentation des pions et des kaons est présentée. / Understanding the nucleon structure is currently one of the main challenges encountered in nuclear physics. The present work represents a contribution to the study of the nucleon structure and deals, in particular, with the study of the role of strange quarks in the nucleon. The latter can be investigated by determing the strange quark distribution in the nucleon as well as the contribution of the spins of strange quarks to the nucleon spin ($\Delta s$). This work first presents a measurement of $\Delta s$ performed via Deeply Inelastic Scattering of a muon beam off polarized proton and deuterium targets. The result is found to be strongly dependent on the quark fragmentation functions into hadrons (FFs), which define the probability that a quark of a given flavour fragments into a final state hadron. The FFs are poorly known, in particular, the FF of strange quark into kaons, which play an important role in the determination of $\Delta s$. In deep inelastic scattering process, the access to the FFs is provided by the hadron multiplicities which, in turn, define the average number of hadrons produced per DIS event. Pion and kaon multiplicities have been extracted versus different kinematic variables, using DIS data collected by deeply inelastic scattering of a $160$ GeV muons off a deuterium target. A first LO extraction of the fragmentation functions has then been performed using the measured pion and kaon multiplicities.

Le travail présenté dans cette thèse porte d’une part sur le développement et la caractérisation d’une nouvelle génération de détecteurs Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) pour l’expérience COMPASS au Cern, et d’autre part sur l’estimation de la contribution de canaux diffractifs à la production de pions et de kaons, dans le cadre de l’étude des fonctions de fragmentation de quarks en hadrons à COMPASS. De nouveaux détecteurs Micromegas d’une surface active de 40 x 40 cm² sont en cours de développement pour le futur de l’expérience COMPASS, à partir de 2015. Ces détecteurs devront fonctionner dans des flux de muons et hadrons approchant 8 MHz/cm². Pour cela, une zone centrale d’environ 5 cm de diamètre, traversée par le faisceau, sera constituée de 1280 pixels, et des technologies permettant de fortement réduire l’impact des décharges seront adoptées. Quatre prototypes de géométrie finale utilisant deux types de technologies de réduction des décharges différentes ont été produits au Cern et testés en conditions réelles à COMPASS entre 2010 et 2012. Trois d’entre eux sont des détecteurs hybrides utilisant une feuille GEM (Gas Electron Multiplier) en tant qu’étage de préamplification pour réduire la probabilité de décharge. Le dernier détecteur est équipé d’une structure résistive à « résistances enterrées », permettant la réduction de l’amplitude des décharges. Leurs performances sont présentées dans cette thèse. L’impact de ces résultats sur la production et la mise en œuvre de la série finale de détecteurs est également discuté. Les fonctions de fragmentation de quarks en hadrons l’hadronisation d’un quark de saveur q en un hadron h. Ces fonctions universelles interviennent dans l’expression de la section efficace de nombreux processus. Elles sont accessibles à COMPASS via la réaction de diffusion profondément inélastique semi-inclusive de muons sur des nucléons. Les observables permettant leur extraction dans ce cadre sont les multiplicités de hadrons, soit le nombre moyen de hadrons produits par événement de diffusion profondément inélastique. Les mésons vecteurs issus de processus diffractifs produisent également des pions et kaons par leur désintégration. Ces processus n’impliquant pas l’hadronisation d’un quark, il semble justifié de ne pas les comptabiliser dans la mesure des multiplicités. Ce travail propose une étude Monte-Carlo des contributions de la production diffractive de mésons vecteurs rho et phi à la production de hadrons léger et aux événements inclusifs. Des facteurs de correction des multiplicités sont finalement établis. Enfin, l’effet de cette correction sur l’extraction des fonctions de fragmentation en pions est présenté. / This thesis is dedicated to the development and characterisation of a new generation of Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) detectors for the COMPASS experiment at Cern, and the estimation of the diffractive processes’ contribution to the production of pions and kaons, concerning the study of the quark fragmentation functions into hadrons at COMPASS. New Micromegas detectors with a 40 x 40 cm² active area are being developed for the future physics program of the COMPASS experiment starting in 2015. These detectors will have to work in high muon and hadron flux (close to 8 MHz/cm²). In this context, a central area of about 5 cm diameter, crossed by the beam, will be composed of 1280 pixels, and discharge-reduction technologies will be used. Four prototypes with a final read-out geometry, using two different discharge-reduction technologies have been produced at Cern and studied in nominal conditions at COMPASS between 2010 and 2012. Three are hybrid detectors using a GEM (Gas Electron Multiplier) foil as a preamplification stage to reduce the discharge probability. The other is equipped with a so called “buried resistors” resistive structure allowing to strongly reduce the discharge amplitude. Their performances are presented in this thesis. The impact of these results on the production and implementation of the final series of detectors is also discussed. Quark fragmentation functions into hadrons describe the hadronisation of a quark of flavor q into a hadron h. These universal functions take part in the cross-section expression of several processes. They can be accessed at COMPASS via semi-inclusive deep inelastic scattering of muons off nucleons. The relevant observables for fragmentation function extraction are hadron multiplicities, corresponding to the mean number of hadrons produced per deep inelastic scattering event. Vector mesons produced by a diffractive process can decay into pions and kaons. As such processes do not involve quark hadronisation, they should a priori be excluded from multiplicity measurements. This work presents a Monte-Carlo study of the impact of diffractive rho and phi production on light hadrons and inclusive events yields. Multiplicity correction factors are finally established. The effect of this correction on the extraction of pion fragmentation functions is also discussed.