Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2009. / In this thesis a general relativistic formalism for neutrino-induced weak production of strange particles is presented. In our formalism it is shown that the differential cross section is constructed as a contraction between a leptonic tensor and a hadronic tensor. The electroweak theory of Glashow, Salam and Weinberg is used to calculate the leptonic tensor exactly. The hadronic current is determined from the newly derived general form of the weak hadronic current which is expressed in terms of eighteen invariant amplitudes that parametrize the hadron vertex. The Born diagram is used to approximate the unknown hadronic vertex and the numerical calculation is made by evaluating the tree diagrams in terms of standard weak form factors and the strong coupling constants in the framework of the Cabibbo theory and SU(3) symmetry. The investigation is made for charged current reactions in terms of the angular distribution of the differential cross section with respect to the outgoing kaon angle and the results are discussed.

ATLAS est l'une des quatre expériences installées au CERN, dans le cadre du projet LHC (Large Hadron Collider). Ce document présente une étude de la calibration des photomultiplicateurs (PM) du calorimètre hadronique d'ATLAS avec un système laser et une analyse de la réponse en énergie des calorimètres d'ATLAS à des pions chargés d'énergie comprise entre 3 et 250 GeV. L'étude débute par la description de la calibration des PM du calorimètre hadronique. Les résultats produits à l'issue de l'analyse ont démontré que le système est très performant. L'analyse de la réponse des calorimètres est divisée en deux parties. On s'intéresse à la réponse des calorimètres aux pions des hautes énergies. L'étude se termine avec l'analyse de la réponse basse énergie (3-9 GeV)

A cromodinâmica quântica (QCD) é uma teoria fortemente acoplada e altamente não-perturbativa no regime de baixas energias. Uma ideia interessante para lidar com essa dificuldade foi introduzida por t';Hooft, na qual ele propôs que teorias de calibre poderiam ter uma representação em termos de teorias de cordas. Desenvolvendo esta ideia em mais detalhe, Maldacena propôs a conjectura AdS/CFT (Anti-de Sitter/ Teoria Conforme de Campos). Nesta tese focamos na análise de modelos holográficos que tentam descrever teorias de campo que incorporam propriedades da QCD. Os modelos podem partir de uma perspectiva em 10 dimensões ou em 5 dimensões. Estudamos o ansatz de Papadopolous-Tseytlin para soluções clássicas das equações de Einstein em 10 dimensões. Mostramos que este ansatz possui uma simetria conservada SU(2) x SU(2). Para a solução de Maldacena-Nunez mostramos que as flutuações vetoriais tem um espectro contínuo, sugerindo que este modelo não tem confinamento. Uma maneira alternativa de introduzir o confinamento em modelos holográficos é usar modelos em 5 dimensões que usam algumas propriedades da QCD como ponto de partida. Utilizando este ponto de vista fenomenológico, encontramos uma solução inédita das equações de Einstein-dilaton que reproduzem dinamicamente algumas das características que se espera de um modelo holográfico da QCD (Modelo AdS/QCD dinâmico). Em particular, este modelo implementa o confinamento linear, i.e. a lei de área para o loop de Wilson. O espectro de massa para os mésons leves de paridade natural e suas excitações estão em uma trajetória linear em função do número quântico radial e do spin, com uma inclinação aproximadamente universal, resultando em um acordo satisfatório com os dados experimentais. Mostramos que uma interpretação da estrutura dos mésons escalares como q q d á o espectro de massa do tipo-Regge para a família dos f0';s com a inclinação correta da trajetória, que é metade da encontrada para os mésons vetoriais. Obtivemos a massa do pí on e sua trajetória com uma deformação de escala na métrica e uma rescala na massa da corda. Calculamos, também, a amplitude de decaimento de S em PP, que resulta em um bom acordo com os dados experimentais. Para o f0(980) estimamos um ângulo de mistura de 20 graus com outras estruturas além de qq.

Apresentaremos um estudo sobre a produção inclusiva de hádrons em colisões próton-próton (pp), através do espectro pT do momento transverso dos hádrons produzidos. É esperado que em regiões de grande densidade de glúons, que come çam a serem provadas por aceleredores de grande energia, a abordagem tradicional da QCD perturbativa não seja su ciente. Tal regime é caracterizado por fortes campos de cor descritos pela teoria efetiva do condensado de vidro de cor (CGC), mais apropriado neste caso para descrever os observáveis. Consideramos também uma possível extensão do modelo colinear, obtida pela adição de uma distribuição gaussiana inicial, que considera um momento transverso intrínsico anterior à interação dos pártons. Tal abordagem pode corrigir as de ciências do modelo colinear sem que tenhamos que recorrer ao CGC em algumas regiões cinemáticas. O modelo colinear é baseado na consagrada evolução DGLAP das funções de distribuição de pártons, prevendo uma forma de fatorização para calcularmos as seções de choque. Mas, quando consideramos regiões de grande densidade, é provável que outra forma de evolução governe a dinâmica das funções de onda hadrônica, levando estas até um regime saturado. Adentrando nesta região incerta, o modelo de fatorização colinear não é satisfatório e devemos considerar outras formas menos estabelecidas para gerar previsões sobre o espectro pT. Como resultado deste trabalho, comparamos estas abordagens distintas e as confrontamos com dados experimentais do RHIC e LHC. / We present a study of single inclusive hadron production in proton-proton collisions (pp) through the spectra of the transverse moment pT of the produced hadrons. It is expected that in regions of high density of gluons, which begin to be probed by high energy accelerators, the traditional approach of perturbative QCD is not enough. Such a regime is characterized by strong color elds described by the e ective theory of color glass condensate (CGC), more appropriate in this case to describe the observables. We also consider a possible extension of the collinear model, given by the addition of an initial Gaussian distribution, which considers an intrinsic transverse moment prior to the interaction of the partons. Such approach can correct the limitation of the collinear model without having to appeal to CGC in some kinematic regions. The collinear model is based on the established DGLAP evolution of the parton distribution functions, which provides a form of factorization to calculate the cross sections. But when we consider regions of high density, it is likely that another form of evolution governs the dynamics of the hadronic wave functions, guiding them to a saturated regime. Advancing in this uncertain region, the collinear factorization model does not work and we must consider less well-established ways to generate predictions about the pT spectrum. We compare these distinct theoretical approaches and confront their results against the RHIC and LHC data.

The quark-connected part of the hadronic light-by-light scattering contribution to the muon’s anomalous magnetic moment is computed using lattice QCD with chiral fermions. We report several significant algorithmic improvements and demonstrate their effectiveness through specific calculations which show a reduction in statistical errors by more than an order of magnitude. The most realistic of these calculations is performed with a near-physical, 139 MeV pion mass on a (5.5 fm)³ spatial volume using the 48³ × 96 Iwasaki gauge ensemble of the RBC/UKQCD Collaboration.

A investigação da física de saturação partônica em colisões de partículas de altas energias será o objetivo principal deste trabalho. Os fenômenos de saturação referem-se a processos de recombinação de pártons (quarks e gluóns) que considera-se ocorram no limite de altas energias da Cromodinâmica Quântica (QCD), a fim de controlar o crescimento das densidades de pártons e manter unitárias as amplitudes de espalhamento. A evolução em energia das amplitudes que leva a este comportamento é não linear, sendo essas não linearidades responsáveis pela unitarização das amplitudes. Para realizar este estudo nos baseamos no formalismo de dipolos de cor, onde a evolução das amplitudes considera que gluóns emitidos, no limite de grande número de cores, são equivalentes a pares de quark–antiquark. Assim, o que é considerado nos cálculos de amplitudes de espalhamento são as interações de tais dipolos com o alvo, sendo as coordenadas (momentum) transversas (os) dos dipolos e a energia as variáveis de interesse. A equação mais simples para a evolução de dipolos é a equação de Balitsky e Kovchegov (BK), a qual não possui soluções analíticas conhecidas. Assintoticamente, entretanto, tais soluções podem ser obtidas por meio de uma conexão entre a QCD e processos de reação–difusão, onde se mostra que a equação BK está em classe de equivalência com a equação de Fisher, Kolmogorov, Petrovsky e Piscounov (FKPP), largamente estudada e que é conhecida por admitir soluções de ondas progressivas. Usando as soluções assintóticas da equação BK para o regime de grandes momenta transversos, juntamente com uma expressão que unitarize a amplitude na região não perturbativa é possível construir modelos para a amplitude de dipolos e assim descrever processos no regime de altas energias da QCD. Um exemplo disso é o modelo AGBS para amplitude de dipolos, em ordem dominante na constante de acoplamento forte, αs, usada como parâmetro perturbativo, o qual será muito útil em nossas análises. As maiores energias de centro de massa disponíveis atualmente se dão em colisões hadrônicas no LHC. Nesse sentido, buscamos neste trabalho aplicar a física de saturação na produção inclusiva de hádrons em colisões próton-próton e próton-núcleo, sob o ponto de vista de distintas fatorizações para seção de choque de produção: a fatorização híbrida mesclando as físicas colinear da evolução DGLAP e a física de saturação; e a fatorização kt que considera a distribuição em momentum transverso para ambos os hádrons em colisão. Sob o ponto de vista da fatorização híbrida realizamos um ajuste global com a amplitude AGBS para dados de espalhamento profundamente inelástico (DIS) no colisor HERA em conjunto com os dados de produção de hádrons em colisões de íons pesados (Deutério–Ouro ou próton–próton) no colisor RHIC. Este ajuste teve resultados promissores e aparece como um dos poucos que conseguem uma boa descrição simultânea desses diferentes tipos de processos, podendo ser utilizado para explicar a física de partículas nas maiores energias atingidas em colisores, no caso no LHC. Com base na fatorização kt conseguimos uma melhor descrição dos dados de LHC em rapidezes centrais, onde pudemos clarificar as distintas regiões cinemáticas onde cada fatorização se aplica. Além disso, conseguimos uma descrição muito boa dos recentes dados de colisões próton-chumbo no LHC. Comparando ambas fatorizações percebe-se que a fatorização kt é adequada na descrição de dados em rapidezes centrais, ao passo que a fatorização híbrida descreve muito bem os dados em rapidezes frontais, onde a física de saturação tem relevante papel. Nós também fizemos predições para o fator de modificação nuclear RpA usando seções de choque para a produção direta de fótons, a qual contém informações precisas sobre o estado inicial da colisão, uma vez que fótons não interagem por meio da força forte com o meio harmônico formado no estado final. Com este observável nós esperamos reduzir os erros associados com correções de mais alta ordem no sentido de que tomamos razões entre seções de choque e os fatores K associados a estas quantidades devem ser cancelados. O modelo AGBS prevê uma forte supressão da razão nuclear em rapidezes frontais, ao contrário das previsões baseadas na fatorização colinear. / The main subject of this thesis is the investigation of the saturation physics in high energy particle collisions. The saturation phenomena refer to the processes of parton (quarks and gluons) recombination that are expected to happen in the high energy limit of the Quantum Cromodynamics in order to tame the fast growing of the parton density inside the hadrons, and thus keep the scattering amplitudes unitary. The energy evolution for the amplitudes leading to this behavior is nonlinear, being the nonlinearities responsible for the unitarization process. In order to investigate the saturation phenomena in high energy collisions we lay on the color dipole formalism, which is based on the t’Hooft large Nc limit and considers the gluons emitted as the energy increases as a quark-antiquark pair. Thus, a factorization emerges, where the probe is represented by the interaction of such dipole pair, end its energy evolution, with the target; and being the main variables the transverse size – and its conjugate transverse momentum. The simplest evolution equation for the dipole amplitude is the Balistky-Kovchegov (BK) equa- tion, for which analytical solutions are not known. Asymptotically, however, it is possible to get infor- mation on its solutions, through a “mapping” of QCD into reaction-diffusion processes that put the BK equation equivalence class with the Fisher-Kolmogorov-Piscounov-Petrovsky (FKPP) equation. Such equation was largely studied in statistical physics problems and is known to admit traveling waves solutions. Using such BK asymptotic solutions to describe the large transverse momentum behavior, together with a expression that unitarizes the infrared region, it is possible to build models to the dipole scattering amplitude and thus describe the QCD processes at high energy. An example of such approach is the AGBS model for the dipole amplitude, that will be very useful in our analysis. The largest center of momentum energies available nowadays in colliders involve hadron colli- sions at LHC. This way we will use such collisions as laboratory to investigate the saturation physics; particularly, we will focus on inclusive hadron production in proton-proton and proton-nucleus colli- sions, from the viewpoint of distinct factorizations for the production cross section: the hybrid one, merging the collinear physics of the DGLAP evolution equation for the projectile partons and the saturation physics in the dense targets; and the kt factorization, treating both colliding hadrons as composite systems of partons with intrinsic transverse momentum. Within the hybrid formalism we performed a global analysis of the AGBS amplitude to the deep inelastic scattering (DIS) data coming from the collider HERA together with the inclusive production of hadrons in heavy ions collisions (proton–gold and proton–proton) at the RHIC. Such fit shows good results and emerges as one of few models that can accommodate simultaneously these distinct processes, and can be used to investigate the saturation physics in higher energies as those attained at the LHC. Using the kt factorization we got a better description of the central rapidity data measured at LHC, in comparison with the hybrid formalism, and thus we could map the distinct kinematic regions where each factorization applies. Besides that, under such factorization we could describe quite well the recently measured data in the proton-lead run at LHC. Comparing both factorization we realize that the kt one is better suited to deal with central rapidity data – if both colliding hadrons can be considered in the small-x region, while the hybrid factorization accommodates very well the small-x physics of the fragmentation region of the hadrons, in the froward rapidities. We also have made predictions to the nuclear modification ratio RpA using prompt photon production cross sections, that contains precise information on the initial state of the collision process once there is no strong interaction between the produced photon and the hadronic media in the final state. With this observable we expect the errors associated with higher order correction could be minimized, once we are taking cross section ratios and the K factors should cancel out. The AGBS predict a strong suppression of the nuclear ratio at forward rapidities, with is in opposite way as the collinear prediction.

This thesis presents the first measurement of the d*(2380) (hexaquark) electromagnetic coupling, extracted from the deuteron photodisintegration (~γd → d* → ~np) reaction. The experiment was carried out at the Mainzer Microtron (MAMI) facility in the Institut für Kernphysik in Mainz, Germany. A racetrack microtron at the MAMI facility provided a 1557 MeV longitudinally polarised electron beam. This electron beam was directed onto a thin radiator to produce a bremsstrahlung photon beam. Diamond and amorphous (metallic) radiators were used to produce linearly and circularly polarised photons respectively. The produced bremsstrahlung photon beam was energy 'tagged' with a resolution of ~4 MeV over the photon-energy range of 150-1400 MeV using the Glasgow Photon Tagger. The tagged photons were incident on a 10 cm long liquid deuterium target. This target was surrounded by a new nucleon recoil polarimeter apparatus and placed within the Crystal Ball calorimeter at MAMI. An array of PbWO4 and BaF2 detectors (TAPS) was used to provide calorimetry at forward angles. The newly constructed large acceptance recoil polarimeter measures the polarisation of the nucleons in the final state. The combination of this new apparatus with the polarised photon beam facility gives access to a number of single and double polarisation observables. The photon beam asymmetry, Σ, and the double polarisation observable, Cx', were examined in measurements of the reaction d(→γ,→n→p) over a large range of energies with a close to full angular coverage. The observable Cx' is determined for the neutron produced in deuteron photodisintegration for the first time. The new data constrains mechanisms of deuteron photodisintegration and assesses the existence and contribution of the d*(2380) resonance.

Le but de la thèse est de mesurer la section efficace de production de quarks top-antitop dans le canal lepton + jets dans l'expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC). L'analyse utilise les données des collisions proton-proton à 7 TeV collectées en 2010 avec une luminosité intégrée de 33,7 pb-1. La sélection des événements est basée sur la signature de la topologie top-antitop avec 1 électron ou muon, une grande énergie transverse manquante et au moins 4 jets. Le fond QCD multijets est mesuré avec les données elles-mêmes par une "Méthode Matricielle". Trois méthodes sont utilisées pour mesurer le fond W+jets, la méthode d’asymétrie de charge, la méthode de Berends-Giele et une méthode combinant les deux précédentes. Les autres bruits de fond sont estimés à partir MC. Le nombre d'événements de signal top-antitop est obtenu en ajustant la distribution du nombre de jets étiquetés b, en mesurant simultanément l'efficacité d‘étiquetage des quarks b. La section efficace top-antitop est mesurée à 148,1±34,9 pb. Elle est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à l’ordre NNLO calculée par le logiciel Hathor. Elle est également en accord avec les mesures par d'autres méthodes. Avec plus de données sur les collisions en 2011, on peut s'attendre à une mesure plus précise de la section efficace top-antitop. / The essential purpose of the thesis is to measure the top pair cross section in lepton+jets channels in the Atlas experiment at Large Hadron Collider (LHC). The analysis is using the proton-proton collision data at 7 TeV collected in 2010 with a luminosity of 33.7 pb-1. The event selection is based on the signature of ttbar topology with 1 electron or muon, large missing transverse energy and at least 4 jets. The QCD multijet background is measured with the data driven “Matrix Method”. Three data driven methods are applied to measure the W+jets background, the charge asymmetry method, the Berends Scaling method and the method combining both. Other backgrounds are estimated from MC.The number of signal ttbar events are obtained by fitting the distribution of the number of b-tagged jet, when the b-tagging efficiency is simultaneously fitted. The ttbar cross section is measured to be 148.1±34.9 pb. It is consistent with the Standard Model prediction at NNLO calculated by Hathor tool. It also agrees with the measurements from other methods. With more collision data in 2011, one can expect a more precise measurement on ttbar cross section.

Le but de la thèse est de mesurer la section efficace de production de quarks top-antitop dans le canal lepton + jets dans l'expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC). L'analyse utilise les données des collisions proton-proton à 7 TeV collectées en 2010 avec une luminosité intégrée de 33,7 pb-1. La sélection des événements est basée sur la signature de la topologie top-antitop avec 1 électron ou muon, une grande énergie transverse manquante et au moins 4 jets. Le fond QCD multijets est mesuré avec les données elles-mêmes par une "Méthode Matricielle". Trois méthodes sont utilisées pour mesurer le fond W+jets, la méthode d'asymétrie de charge, la méthode de Berends-Giele et une méthode combinant les deux précédentes. Les autres bruits de fond sont estimés à partir MC. Le nombre d'événements de signal top-antitop est obtenu en ajustant la distribution du nombre de jets étiquetés b, en mesurant simultanément l'efficacité d'étiquetage des quarks b. La section efficace top-antitop est mesurée à 148,1±34,9 pb. Elle est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à l'ordre NNLO calculée par le logiciel Hathor. Elle est également en accord avec les mesures par d'autres méthodes. Avec plus de données sur les collisions en 2011, on peut s'attendre à une mesure plus précise de la section efficace top-antitop.

L'International Linear Collider (ILC) est un projet de futur collisionneur électron positron opérant à une énergie nominale dans le centre de masse de 500 GeV. Il fera des mesures de précision, par exemple d'un boson de Higgs léger qui pourrait être bientôt découvert au Large Hadron Collider. Les détecteurs de l'ILC prévus à cet effet seront composés de calorimètres à haute granularité.Cette thèse présente l'étude de la réponse d'un calorimètre électromagnétique silicium tungstène hautement granulaire (ECAL SiW) ainsi que l'étude de la production du quark top à l'ILC.Le prototype d'un ECAL SiW développé par la collaboration CALICE a été testé sous faisceaux de particules chargées au FNAL en Mai et Juillet 2008. Après avoir sélectionné des pions chargés négativement et entrant dans le ECAL, sa haute granularité est mise à profit pour introduire une classification en quatre types d'événements, afin de décrire des interactions hadroniques.Des modèles de dimensions supplémentaires expliquent l'anomalie AFBb du LEP par une modification des couplages des quarks de troisième génération au boson Z. Ces effets motivent l'étude de la désintégration semileptonique des paires de quarks top, effectuée ici au moyen d'une simulation complète du détecteur ILD proposé pour l'ILC à une énergie dans le centre de masse de 500GeV pour une luminosité intégrée L = 500 fb-1. Les performances de ce détecteur permettent d'atteindre des efficacités de sélection de plus de 70% avec une pureté meilleure que 95%. Cela se traduit par une précision relative d'environ 1% sur l'asymétrie gauche-droite de la production du quark top ALR ainsi que sur l'asymétrie avant-arrière du quark top AFBt dans le cas où les électrons sont polarisés à 80% et pas les positrons. Les incertitudes relatives sur les couplages gauche et droit du quark top au boson Z peuvent aller jusqu'à 0.9% et 1.5%.