Le grand collisionneur d'hadrons (LHC) a commencé les opérations de faisceau de protons le 10 septembre 2008. Respectant le programme prévu pour les prochaines années, le LHC devrait démontrer ou réfuter l'existence du boson de Higgs de façon réaliste d'ici 2014. Après cette date il est raisonnable de prévoir l'amélioration de la luminosité de la machine pour explorer en détail la physique des événements rares.<br />Le présent travail de thèse propose différentes idées pour augmenter la luminosité des expériences ATLAS et CMS, les deux principales expériences du programme scientifique du LHC. Une idée pour l'amélioration de l'acceptance de l'expérience TOTEM est aussi présentée. <br />L'ensemble des aimants qui réalisent la focalisation finale du faisceau avant la collision ont été pris en considération pour augmenter la luminosité dans les zones expérimentales. Les nouvelles configurations ont été étudiées en utilisant des méthodes d'optique des accélérateurs et de dynamique des faisceaux. L'intégration des solutions a été aussi explorée en analysant les énergies déposées dans les différents éléments et les tolérances des alignements. <br />Un nouveau schéma optique pour augmenter l'acceptance de l'expérience TOTEM utilisant les cristaux de silicium est aussi présenté. Les résultats attendus sont comparés avec les résultats actuels.<br />Les études ont été menées en utilisant des méthodes analytiques pour les considérations générales et des méthodes numériques pour l'optimisation des paramètres.<br />Les résultats présentés dans cette thèse ont été publiés et présentés dans différentes conférences et workshops internationaux.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04.

Cette thèse résume une recherche de manifestations de Grandes Dimensions Supplémentaires (GDS, og Large Extra Dimensions fg en anglais) en utilisant 4.91 fb-1 de données enregistrées en 2011 par le détecteur Atlas installé auprès du collisionneur LHC au CERN. En 2011, le LHC a produit des collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de sqrt(s)= 7 TeV. Les GDS peuvent potentiellement expliquer une énigme connue sous le nom du problème de la hiérarchie : la grande différence entre l'échelle électrofaible et l'échelle de Planck dans le Modèle Standard (MS). Dans le cadre du modèle ADD (nommé selon les auteurs N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) des GDS, les effets de la gravitation quantique deviennent plus forts que dans le MS; potentiellement suffisamment forts pour être observés au LHC. Il y a deux mécanismes de production de gravitons dans les collisions proton-proton : production directe de gravitons et échange virtuel de gravitons. Dans cette thèse, nous présentons une recherche de dimensions supplémentaires via l'effet de l'échange virtuel de gravitons dans l'état final di-photon. Le spectre de masse invariante des événements di-photon est étudié, et un bon accord entre les données et le bruit de fond prédit par le MS est observé. Nous utilisons deux méthodes pour estimer des limites sur l'échelle de Planck fondamentale du modèle ADD : une expérience de comptage et une analyse de la forme du spectre de masse. L'expérience de comptage donne des limites entre 2.62 et 3.92 TeV à 95% C.L., en fonction du nombre de dimensions supplémentaires et du formalisme théorique utilisé. L'analyse de la forme du spectre de masse donne des limites légèrement plus strictes : la limite inférieure sur l'échelle de Planck fondamentale augmente d'un facteur de 1.04. / This thesis summarizes a search for manifestations of Large Extra Dimensions (LED) using 4.91fb-1 of data collected in 2011 by the Atlas detector at the LHC collider at CERN. In 2011, the LHC has provided proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV. LED can potentially solve the so-called hierarchy problem, i.e. large apparent difference between two fundamental scales of the Standard Model (SM), the electroweak and the Planck scales. In the context of the ADD model (named after the authors N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos and G. Dvali) of LED, the effects of quantum gravity become much stronger than in the SM; possibly large enough to be observed at the LHC. There are two possibilities of graviton production in proton-proton collisions: direct graviton production and virtual graviton exchange. In this thesis, we present a search for the manifestation of extra dimensions via the effect of virtual graviton exchange on the di-photon final state. The di-photon invariant mass spectrum is studied and found to be in good agreement with SM background expectation. We set limits on the fundamental Planck scale of the ADD model using two different methods: a counting experiment and an analysis of the shape of the di-photon mass spectrum. The counting experiment yields limits between 2.62 and 3.92 TeV at 95% CL, depending on the number of extra dimensions and the theoretical formalism used. The shape analysis yields slightly more stringent limits: the lower limits on the fundamental Planck scale improve by a factor of 1.04.

L’étude des mécanismes de production des quarkonia (J/ψ or Υ) dans les collisions proton-proton (pp) est intéressante car elle nécessite de prendre en compte les aspects perturbatifs et non perturbatifs de la ChromoDynamique Quantique (QCD). La production de quarkonia en fonction de la multiplicité des particules chargées a été mesurée pour la première fois dans les collisions pp avec le détecteur ALICE au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces mesures présentent une corrélation non triviale qui peut conduire à une meilleure compréhension du mécanisme d’interaction partonique multiple dans l’état initial de la collision ainsi que des effets collectifs possibles dans les petits systèmes. L’étude du dernier échantillon de données enregistré au LHC en collisions pp aux énergies les plus élevées jamais atteintes en laboratoire (√s=13 TeV) permettra d’étudier des événements à forte multiplicité. Avec ALICE, les quarkonia sont mesurés jusqu’à des impulsions transverses nulles. Les charmonia (J/ψ, cc̄ ) sont détectés par leur désintégration en diélectrons à mi-rapidité (|y|< 0.9) et en dimuons en rapidité vers l’avant (2.5 < y < 4). Les bottomonia (Υ, bb̄) sont détectées par leur décroissance en dimuons en rapidité vers l’avant. La multiplicité des particules chargées est mesurée à l’aide de segments de traces avec le détecteur de silicium à pixels pour |η|< 1. Dans cette thèse, nous présenterons les premières mesures réalisées avec ALICE des productions relatives d’Υ(1S) et Υ(2S) en fonction de la multiplicité des collisions pp à √s =13 TeV. Nous discuterons du rapport relatif des Υ(2S) par rapport aux Υ(1S) en fonction de la multiplicité des particules chargées. La comparaison entre les J/ψ et les Υ(1S) mesurés en rapidité avant en fonction de la multiplicité sera également examinée. Ces études permettront d’examiner la dépendance possible de la corrélation mesurée avec les différentes masses des quarkonia considérés et les différents types de contenus en quark. La dépendance du domaine en rapidité et de l’énergie de la collision sera également considérée. / The study of quarkonium (J/ψ or Υ) in proton-proton (pp) collisions is interesting as both perturbative and non perturbative aspects of Quantum ChromoDynamics (QCD) are involved in the production mechanism. The quarkonium production as a function of charged-particle multiplicity has been measured in a pp collisions with ALICE detector at the Large Hadron Collider (LHC). They exhibit a non-trivial correlation that can lead to a better understanding of the multi-parton interaction mechanism in the initial state of the collision as well as possible collective effects in small systems. Thestudy of latest data sample recorded at the LHC in pp collisions at the highest collision energies everreached in the laboratory (√s = 13 TeV) will allow to investigate high multiplicity events. In ALICE,quarkonia are measured down to zero transverse momentum. Charmonia (J/ψ, cc̄) are detected viatheir decay into di-electrons at mid-rapidity (|y|< 0.9) and dimuons at forward rapidity (2.5 < y < 4).Bottomonia (Υ, bb̄) are detected via their decay into dimuons at forward rapidity. Charged-particlemultiplicity is measured using track segments in the silicon pixel detector in |η|< 1. In this thesis, we will present the first ALICE measurements of relative Υ(1S) and Υ(2S) productions as a function of multiplicity in pp collisions at √s =13 TeV. We will discuss the ratio of the relative Υ(2S) overΥ(1S) as a function of charged-particle multiplicity. The comparison between the relative J/ψ andΥ(1S) yields measured at forward rapidity as a function of multiplicity will also be discussed. This will provide insight of possible dependence of the measured correlation with different mass and quark contents as well as the evolution with rapidity range and the collision energy.