A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.

O comportamento infra-vermelho dos propagadores de glúons e de ghosts é de fundamental importância para o entendimento do limite de baixas energias da cromodinâmica quântica (QCD), especialmente no que diz respeito ao problema do confinamento de quarks e de glúons. O objetivo desta tese é implementar um novo método para o estudo do propagador de glúons no calibre covariante linear para a QCD na rede. Em particular, analisamos em detalhe a nova implementação proposta e estudamos os algoritmos para fixação numérica deste calibre. Note que a fixação numérica da condição de calibre de Feynman apresenta vários problemas não encontrados nos casos de Landau e de Coulomb, o que impossibilitou por longo tempo o seu estudo adequado. De fato, a definição considerada inicialmente, por Giusti et. al., é de difícil implementação numérica e introduz condições espúrias na fixação de calibre. Como consequência, os únicos estudos efetuados anteriormente referem-se aos propagadores de glúons e de quarks em redes relativamente pequenas, não permitindo uma análise cuidadosa do limite infra-vemelho da QCD neste calibre. A obtenção de novas soluções para a implementação do calibre de Feynman na rede é portanto de grande importância para viabilizar estudos numéricos mais sistemáticos dos propagadores e dos vértices neste calibre e, em geral, no calibre covariante linear. / The infrared behavior of gluon and ghost propagators is of fundamental importance for the understanding of the low-energy limit of quantum chromodynamics (QCD), especially with respect to the problem of the confinement of quarks and gluons. The goal of this thesis is to implement a new method to study the gluon propagator in the linear covariant gauge in lattice QCD. In particular, we analyze in detail the newly proposed implementation and study the algorithms for numerically fixing this gauge. Note that the numerical fixing of the Feynman gauge condition poses several problems that are not present in the Landau and Coulomb cases, which prevented it from being properly studied for a long time. In fact, the definition considered initially, by Giusti et. al., is of difficult numerical implementation and introduces spurious conditions into the gauge fixing. As a consequence, the only studies carried out previously involved gluon and quark propagators on relatively small lattices, hindering a careful analysis of the infrared limit of QCD in this gauge. Obtaining new solutions for the implementation of the Feynman gauge on the lattice is therefore of great importance to enable more systematic numerical studies of propagators and vertices in this gauge and, in general, in the linear covariant gauge.

Orientador: Jun Takahashi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-19T21:22:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Chinellato_DavidDobrigkeit_D.pdf: 12088648 bytes, checksum: c79560f4593e813870fc0e788aadf075 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho, estudamos a produção de hádrons estranhos em colisões próton-próton (pp) a energias de (s)^(1/2)= 7 TeV medidas pelo experimento ALICE no acelerador LHC. São resentadas medidas inéditas das taxas de produção em rapidez central do méson (K) também dos bárions ?,? e O- e suas antipartículas correspondentes. As taxas totais de produção excedem significativamente as previsões de modelos que utilizam a Cromodinâmica Quântica Perturbativa (pQCD). Em particular, comparamos as medidas com previsões do simulador de eventos PYTHIA, onde é observado que as previsões concordam com as medidas apenas para momentos transversais (Pt) acima de 6- 7 GcV / c. Este resultado indica que os processos de primeira ordem não-nula implementados no PYTHIA estão bem ajustados, mas a implementação de um cálculo que descreva os dados em baixo Pt ainda é um problema em aberto. Os resultados aqui apresentados devem contribuir para melhorar o entendimento dos mecanismos de produção de partículas na região de baixo Pt¿ Colisões pp são também utilizadas como referência para colisões nucleares de diferentes multiplicidades no estudo da formação do Quark-Gluon Plasma (QGP). Em particular, o aumento da produção de estranheza é considerado um importante observável do QGP. Neste contexto, estudamos a dependência da produção de partículas estranhas com a multiplicidade de partículas carregadas e comprovamos que não há indício de aumento da produção relativa de estranheza cm eventos pp. Isto é um importante resultado, pois complementa os estudos que consideram a possibilidade de formação de QGP em colisões pp / Abstract: In this work, we study the production of strange hadrons in proton-proton (pp) collisions at energies of (s)^(1/2)= 7 TeV measured by the ALICE experiment at the LHC. We present the first measurements of particle yields at central rapidities for the (K)meson as well as for the ?, ? e O- baryon and their antiparticles. Total particle production rates exceed predictions by models that use Perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD). In particular, we compare our measurements to predictions by the PYTHIA event generator and find that predictions agree with data only at transverse momenta (Pt) higher than 6- 7 GeV / c. This result indicates that the leading order processes implemented in PYTHIA are well adjusted, but the implementation of a calculation that describes the data at low Pt is still an open issue. The results presented here should contribute to improve our understanding of particle production mechanisms at low Pt ¿ Proton-proton collisions are also used as a reference for nuclear collisions of different multiplicities in the study of Quark-Gluon Plasma (QGP) formation. The increase of strangeness production is considered an important observable of the QGP. In this context, we study the dependence of strange particle production with charged particle multiplicity and find that there is no indication of an increase strangeness production rate in pp collisions. This is an important result that contributes to the studies that consider the possibility of QGP formation in pp collisions / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

La chromodynamique quantique (QCD) prédit l'existence d'un nouvel état de la matière : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Celui-ci aurait existé dans les premiers instants suivant le Big Bang et peut en principe être produit sous les conditions extrêmes de température et de densité atteintes lors de collisions d'ions lourds à haute énergie (au LHC par exemple). Un des marqueurs de sa présence est la suppression des quarkonia (états liés de quark/antiquark lourds), caractérisée par une production inférieure de ces états dans les collisions d'ions lourds relativement aux collisions proton-proton où le PQG ne pourrait être créé. Cette suppression a bien été observée expérimentalement, mais l'évolution de ses tendances aux énergies du RHIC et du LHC est un véritable défi qui requiert une meilleure compréhension théorique. La présente thèse a pour but d’étudier l’évolution en temps réel de paires corrélées de quark/antiquark lourds considérées comme des systèmes quantiques ouverts en interaction permanente avec un PQG en refroidissement. Explicitement, l'interaction continue entre le milieu et les degrés de liberté internes de la paire est obtenue par 1) un écrantage de couleur dit « de Debye » dû à la présence de charges de couleur dans leur voisinage et 2) des mécanismes de fluctuation/dissipation qui reflètent les collisions permanentes. Cela mène à une image dynamique et continue de la dissociation des quarkonia, de leur recombinaison et des transitions entre états liés. L'étude est transversale à différents cadres théoriques : semi-classique, quantique et quantique des champs. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux et aux résultats d'autres modèles théoriques. / The theory of quantum chromodynamics (QCD) predicts the existence of a new state of matter: the Quark-GluonPlasma (QGP). The latter may have existed at the first moments of the Universe following the Big Bang and can be, in theory, re-produced under the extreme conditions of temperature and density reached in high energy heavy ion collisions (at the LHC for instance). One of the QGP observables is the suppression of the quarkonia (heavy quark/antiquark bound states), characterised by a smaller production of these states in heavy ion collisions in comparison to proton-protoncollisions, in which no QGP production would be possible. This suppression has indeed been observed experimentally, but the puzzling evolution of its trend from RHIC to LHC energies requires a better theoretical understanding. The present thesis aims at studying the real-time evolution of correlated heavy quark/antiquark pairs described as open quantum systems which permanently interact with a cooling QGP. More explicitly, the continuous interaction between the medium and the pair internal degrees of freedom is obtained through 1) a temperature dependent color screening (“Debye” like) due to color charges in the irvicinity and 2) some fluctuation/dissipation mechanisms reflecting the continuous collisions. It leads to a dynamical and continuous picture of the dissociation, recombination and possible transitions to other bound states. This investigation is at the crossroads of different theoretical frameworks: semi-classic, quantum and quantum fields. The deduced predictions are compared to experimental data and to the results of other theoretical models.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes sont considérées comme un outil unique pour produire, enlaboratoire, un milieu chaud et dense interagissant fortement, le Plasma de Quarks etde Gluons (PQG). Cette thèse est dédiée à l’étude de deux sondes, les J/ψ et les bosons Z, qui peuvent aider àatteindre une meilleure compréhension des propriétés du PQG.Dans les collisions d’ions lourds, il existe une observable importante pour étudier la formation du PQG, c’est lamesure de la production des J/ψ. L’importance des différents effets qui peuvent augmenter ou supprimer cetteproduction varie avec l’énergie de la collision. Dans cette thèse, la production des J/ψ est mesurée avec lescollisions Pb-Pb à √sNN =5.02 TeV, en utilisant principalement le spectromètre à muons du détecteur ALICE. Lefacteur de modification nucléaire des J/ψ est présenté en fonction de la centralité des collisions, la rapidité etl’impulsion transversale (pT). En outre, les résultats sur le pT moyen du J/ψ sont présentés. La comparaison entreles résultats expérimentaux et divers calculs théoriques suggère que la production du J/ψ est affectée dans le milieupar deux processus concurrents : le dissociation et le régénération.Dans les collisions d’ions lourds, l'état initial de la collision peut aussi affecter les résultats, en l'absence deformation du PQG. La compréhension et la quantification des tels effets est crucial pour les séparer de ceuxprovoqués par la présence du PQG. Un de ces effets est la modification nucléaire des fonctions de distribution despartons (PDFs). La mesure de production du boson Z dans les collisions d’ions lourds est un outil puissant pourétudier la modification nucléaire des PDFs car il n’est pas affectés par la présence d'une matière en forteinteraction. La seconde partie de cette thèse est dévolue à la mesure de la production des bosons Z, pour lapremière fois dans ALICE, avec les collisions p-Pb et Pb-Pb à √sNN =5.02 TeV. Dans les collisions Pb-Pb où laprécision de la mesure est plus élevée, l'accord entre les données et des calculs théoriques est meilleur lorsque cesderniers prennent en compte la modification nucléaire des PDFs. / Ultra relativistic heavy-ion collisions are considered as a unique tool to produce, in the laboratory, thehot and dense strongly-interacting medium, the Quark-Gluon Plasma (QGP). This thesis is dedicated to the studyof two powerful probes, the J/ψ and Z-boson, that can help reaching a better understanding of the properties of theQGP.An important observable to study the QGP formation in heavy-ion collisions is the measurement of the J/ψproduction. The sizes of the different effects that can enhance or suppress this production vary with the collisionenergy. In this thesis, the J/ψ production is measured in Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV using mainly themuon spectrometer of the ALICE detector. The J/ψ nuclear modification factor is presented as a function ofcollision centrality, rapidity and transverse momentum (pT). In addition, results on the J/ψ average pT and squaredaverage pT are also obtained. The comparison between the results and various theoretical calculations suggests thatthe J/ψ production is affected in the medium by an interplay between dissociation and regeneration mechanisms.In heavy-ion collisions, the initial state of the collision can affect the results even in the absence of the QGP.Understanding and quantifying such effects is crucial in order to separate them from the ones caused by thepresence of the QGP. One of these effects is the nuclear modification of the parton distribution functions (PDFs).The measurement of Z-boson production in heavy-ion collisions is a powerful tool to study the nuclearmodification of PDFs since it is not affected by the presence of the strongly-interacting medium. The second partof this thesis is devoted to measure the Z-boson production, for the first time with ALICE, in p-Pb and Pb-Pbcollisions at √sNN = 5.02 TeV. In Pb-Pb collisions where the precision of the measurement is higher, the agreementbetween data and theoretical calculations is better when the latter take into account the nuclear modification of thePDFs.

Les collisions d’ions lourds à haute énergie du grand collisionneur de hadrons, permettent d'étudier les propriétés de la matière nucléaire et de produire l'état chaud et dense de la matière déconfinée connu sous le nom de plasma de quarks et de gluons (QGP). Afin d'étudier les effets dus à la matière nucléaire dans les collisions d'ions lourds, la production de deux sondes dures importantes est étudiée dans cette thèse: les bosons W et les charmonia (mésons J/ψ et ψ(2S)).Les effets de la matière nucléaire froide, associés à la modification nucléaire des fonctions de distribution des partons (PDF), peuvent être caractérisés en étudiant la formation des bosons W dans les collisions d'ions lourds. En effet, la production des bosons W est déterminée par la diffusion dure initiale, puisque ces bosons n'interagissent pas fortement avec le milieu induit par la collision. L'analyse de la production des bosons W dans les collisions p-Pb à sqrt(s[NN]) = 8,16 TeV avec le détecteur CMS est présentée dans la première partie de cette thèse. Les résultats sont en bon accord avec les calculs des PDFs incluant les modifications nucléaires, alors qu'ils excluent significativement l'hypothèse de nucléons libres, pour des fractions d’impulsion x petite. Puisque les mesures sont plus précises que les calculs des modèles, les résultats des bosons W ont le potentiel de contraindre les paramétrisations des PDF nucléaires, ce qui pourrait améliorer notre compréhension des effets des PDF sur d'autres sondes dures, comme les charmonia.La production des charmonia est sensible à la formation et à l'évolution du milieu forte interaction formé lors de collisions d'ions lourds, en faisant ainsi une excellente sonde du QGP. La suppression ou l'augmentation des différents états du charmonium sont considérées comme des signatures de la présence du QGP. Dans cette thèse, la production prompte et non-prompte des mésons J/ψ est mesurée dans des collisions Pb-Pb à sqrt(s[NN]) = 5,02 TeV. De plus, la modification des mésons ψ(2S) par rapport aux mésons J/ψ est mesurée pour le même système de collision. Le facteur de modification nucléaire des charmonia est déterminé en fonction de la centralité, de la rapidité et de l'impulsion transverse pT. La production des mésons J/ψ prompts est supprimée dans les collisions Pb-Pb par rapport aux collisions p-p normalisés par le nombre de collisions binaires, bien qu'une suppression plus faible soit observée à 3 < pT < 6,5 GeV/c dans les collisions centrales. La production des quarks b, sondés par les charmonia non prompts, est également supprimée dans toute la région cinématique mesurée, et une plus faible suppression est observée à haut pT. En ce qui concerne les mésons ψ(2S), ils se révèlent plus fortement supprimés que les mésons J/ψ dans les collisions Pb-Pb. / Heavy ions are collided at high energies at the Large Hadron Collider, allowing to study the properties of nuclear matter and to produce the hot and dense state of deconfined matter known as the Quark-Gluon Plasma (QGP). In order to probe the nuclear matter effects present in heavy-ion collisions, this thesis study the production of two important hard probes: W bosons and charmonia (J/ψ and ψ(2S) mesons).The cold nuclear matter effects, associated to the nuclear modification of the parton distribution functions (PDFs), can be characterised by studying the formation of W bosons in heavy-ion collisions. The production of W bosons represents an important tool to asses the PDF modifications, which impact the initial hard scattering, since these bosons do not interact strongly with the collision-induced medium. The analysis of the W-boson production in p-Pb collisions at sqrt(s[NN]) = 8.16 TeV with the CMS detector is presented in the first part of this thesis. The results are in good agreement with PDF calculations including nuclear modifications, while they strongly disfavour the free-nucleon hypothesis at small momentum fractions x. Since the measurements are more precise than the model calculations, the W-boson results have the potential to constrain the nuclear PDF parametrisations, which could eventually improve our understanding of the PDF effects on other hard probes, such as charmonia.The production of charmonia is sensitive to the formation and evolution of the strongly-interacting medium formed in heavy-ion collisions, thus making of it an excellent probe of the QGP. The suppression or enhancement of the different charmonium states is considered a signature of the presence of the QGP. In this thesis, the production of prompt and nonprompt J/ψ mesons is measured in Pb-Pb collisions at sqrt(s[NN]) = 5.02 TeV. In addition, the modification of the ψ(2S) mesons relative to J/ψ mesons is reported for the same collision system. The nuclear modification factor of charmonia is determined as a function of centrality, rapidity and transverse momentum pT. The production of prompt J/ψ mesons is suppressed in Pb-Pb collisions compared to binary-scaled p-p collisions, although a weaker suppression is observed at 3 < pT < 6.5 GeV/c in central Pb-Pb collisions. The production of b quarks, probed by the nonprompt charmonia, are also suppressed over the full kinematic region measured, and a reduced suppression is observed at high pT. Regarding the ψ(2S) mesons, they are found to be more strongly suppressed than J/ψ mesons in Pb-Pb collisions.

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(...) Le travail de recherche exposé dans cette thèse a été réalisé en utilisant les données collectées par le détecteur ATLAS auprès du LHC. Le LHC est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant jamais construit. Il est constitué d'un double anneau de stockage de protons. Environ 10000 physiciens et ingénieurs du monde entier participent à cette expérience en développant de nouvelles techniques et approches pour identifier les événements intéressants cachés dans l'environnement complexe produit dans des collisions proton-proton. Les premières collisions proton-proton ont eu lieu à la fin de l'année 2009 à une énergie de 900~GeV dans le système du centre de masse. Le 19 Mars 2010, le LHC a battu un record en augmentant l'énergie des faisceaux à 3.5 TeV, et les premières collisions à 7 TeV ont été enregistrées le 30 Mars 2010. L'énergie par faisceau pour l'ensemble de 2011 était de 3.5 TeV, et 4 TeV en 2012. Un an d'arrêt technique est prévu en 2013 avant de parvenir à l'énergie nominale de collision de 14 TeV. Quatre expériences se partagent les quatre points de croisement des faisceaux du grand anneau du LHC. Une d'entre elles, ATLAS, est un détecteur généraliste avec un vaste programme de physique. ATLAS est constitué d'un détecteur interne de traces dans un champ magnétique de 2 T, offrant une couverture jusqu'à |η|<2.5, un système calorimétrique allant jusqu'à |η|<4.9, un spectromètre à muons dans un champ magnétique toroïdal et un système de déclenchement composé de trois niveaux. Tous les sous-systèmes ont d'excellentes performances en termes d'efficacité et de résolution. Cette thèse comprend trois travaux interconnectés. En premier lieu, elle décrit les résultats de la recherche de nouvelles résonances qui se désintègrent en paires tt en utilisant les premiers 2.05 fb-1 de données collectées par le détecteur ATLAS en 2011. Dans une deuxième partie, en connection avec cette recherche, des études de performance de Jet Vertex Fraction (JVF) en utilisant des événements tt sont également présentées. JVF est une variable qui peut être utilisée pour réduire les effets d'empilement afin d'améliorer la précision et la sensibilité des analyses de physique à haute luminosité. Finalement, les performances de la calibration Globale Séquentielle des jets, sa validation sur des données réelles et l'évaluation de l'incertitude systématique qui lui est associée seront aussi discutées. La détermination précise de l'échelle en énergie des jets (JES: acronyme de Jet Energy Scale) ainsi que l'obtention d'une résolution optimale sont extrêmement importantes pour de nombreuses analyses de physique au LHC. Cela est vrai en particulier pour la recherche de nouvelles résonances tt en raison de la présence de jets dans l'état final. Les résultats sont présentés dans l'ordre dans lequel ils ont été réalisés au cours de cette thèse. (...) / (...) The studies presented in this thesis were performed using data collected by the ATLAS detector at the LHC. The LHC is the largest and highest energy particle accelerator ever built. Around 10000 physicists and engineers around the world are taking part in this experience by developing new techniques and approaches to identify the interesting physics buried in the complex environment produced in the LHC pp collisions. The LHC produced its first pp collisions on November 23, 2009 at the injection energy of 450 GeV. On March 19, 2010 the LHC broke a record by raising the beam energy to 3.5 TeV, and the first pp collisions at 7 TeV were recorded on March 30, 2010. The beam energy for the whole 2011 year was 3.5 TeV per beam, while in 2012 the beam energy is 4 TeV. At the beginning of 2013 the LHC will go into a long shutdown to prepare for higher energy collisions starting in 2014. At the four collision points of the LHC, detectors have been placed to study the high-energy collisions. One of these detectors, ATLAS, a general purpose detector with an extensive initial physics program. The ATLAS detector consists of a tracking system in a 2 T solenoid field, providing coverage up to a pseudo-rapidity of |η|<2.5, sampling electromagnetic and hadronic calorimeters up to |η|<4.9, muon chambers in a toroidal magnetic field and a trigger system consisting of three levels of event selection. So far, the ATLAS sub-detectors have shown an excellent performance in terms of efficiency and resolution. This thesis contains three different analyses interconnected. The main one concerns the results of the search for new resonances that decay to top-quark pairs using the first 2.05 fb-1 of data collected by the ATLAS detector in 2011. Secondly and related to this search, performance studies of the Jet Vertex Fraction (JVF) in top-quark pairs topologies are presented too. JVF is a variable that can be used to reduce the pile-up effects to improve the precision and sensitivity of physics analyses at high luminosities. Finally, results regarding the performance, validation in data and associated systematic uncertainty derivation of the Global Sequential (GS) jet calibration are discussed. The determination of the jet energy scale and the achievement of the optimal jet performance is of key importance to many LHC physics analyses, specially to the main analysis of this thesis due to the presence of jets in the final state. The results are presented in order that they were performed during the thesis.