La physique des collisions d'ions lourds réunit deux domaines : la physique nucléaire et la physique des particules. Les progrès expérimentaux de ces dernières années donne l'opportunité d'étudier la nouvelle matière créée dans les collisions d'ions lourds qui s'appelle le plasma de quarks et de gluons.L'état initial de deux ions qui se collisionnent est affecté par les fluctuations créées par les fonctions d'ondes des nucléons. Ces fluctuations provoquent l'anisotropie de moments de la matière hadronique observée par les détecteurs. Le système créé dans une collision se comporte comme un fluide, donc l'état initial est connecté avec l'état final par l'évolution hydrodynamique. L’hydrodynamique relativiste est utilisée pour décrire l'évolution du fluide créé dans les collisions d'ions lourds. Nos résultats combinés avec les données expérimentales permettent de contraindre l'etat initial donc de faire la «rétro-ingénierie» des collisions d'ions lourds.L'observable qui caractérise l'anisotropie des moments est le flot anisotrope v_n. On présente les premières mesures du premier coefficient de la distribution de Fourier v_1 pour l'accélérateur LHC. v_1 s'appelle le flot dirigé. On effectue aussi les premiers calculs de v_1 à partir de l’hydrodynamique visqueuse. On trouve que v_1 est moins dépendent de la viscosité que les coefficients v_2 et v_3 qui sont respectivement les flots elliptique et triangulaire. On présente aussi les prédictions de v_1 pour l'accélérateur RHIC. Ces résultats ont été confirmés plus tard par les mesures de v_1 par RHIC. On propose aussi deux méthodes pour contraindre les modèles d’état initial: avec les données de v_1 et les données de v_2 et v_3. Ces méthodes donnent l'unique possibilité de contraindre les modèles Monte Carlo d'état initial. A la fin de cette thèse on montre les perspectives de ce domaine et on étudie les corrélations entre les plans des évènements qui ont été mesurées récemment et qui pourraient faire la lumière sur les fluctuations de l'état initial. / Ultra-Relativistic heavy-ion physics is a promising field of high energy physics connecting two fields: nuclear physics and elementary particle physics. Experimental achievements of the last years have provided an opportunity to study the properties of a new state of matter created in heavy-ion collisions called quark-gluon plasma. The initial state of two colliding nuclei is affected by fluctuations coming from wave- functions of nucleons. These fluctuations lead to the momentum anisotropy of the hadronic matter which is observed by the detectors. The system created in the collision behaves like a fluid, so the initial state is connected to the final state via hydrodynamic evolution. In this thesis we model the evolution with relativistic viscous hydrodynamics. Our results, combined with experimental data, give non trivial constraints on the initial state, thus achieving "reverse engineering" of the heavy-ion collisions. The observable which characterizes the momentum anisotropy is the anisotropic flow vn. We present the first measurements of the first harmonic of the anisotropic flow called directed flow v1 in Pb-Pb collisions at the LHC. We then perform the first viscous hydrodynamic modeling of directed flow and show that it is less sensitive to viscosity than higher harmonics. Comparison of these experimental data with the modeling allows to extract the values of the dipole asymmetry of the initial state, which provides constraints on the models of initial states. A prediction for directed flow v1 in Au-Au collisions is also made for RHIC. We then perform a similar modeling of the second and third harmonics of the anisotropic flow, called respectively elliptic v2 and triangular v3 flow. A combined analysis of the elliptic and triangular flow data compared with viscous hydrodynamic calculations allows us to put constraints on initial ellipticity and triangularity of the system. These constraints are then used as a filter for different models of initial state. At the end of this thesis, we show perspectives in the studies of the initial state which are opened by recent measurements of event-plane correlations which could shed light on the initial state fluctuations.

In this thesis we aim to test if Landau\'s two-component superfluid model is compatible with the quark-gluon-plasma description. We follow the test proposed by Chernodub et. al. [Two-component liquid model for the quark-gluon plasma. Theor. Math. Phys., v. 170, p. 211–216, 2012]. We start by reviewing the building process of a field theory with gauge symmetries and discussing the conservation laws associated to the theory’s symmetries. We explore the thermodynamic approach to quantum theory and the interesting fact that, when combined with a field theory, the path-integral formulation for quantum field theories emerges naturally. We also present the necessity of introducing a momentum cutoff into the theory and show that embedding space-time on a lattice is a way to introduce this cutoff and renormalize the theory. As a bonus, this also allows the numerical and non-perturbative evaluation of observables. We overview the phenomenological aspects of relativistic heavy-ion collisions and Landau’s two-component model for superfluids, along with a quantum-field-theory motivation for it, and explain details of the test proposed by Chernodub et. al.. Lastly, we show the implementation details of our simulation along with results. We do not see evidence that the proposed superfluid model is able to describe the plasma. We speculate that this might be caused by the absence of fermions in our simulations. / Nesta tese nosso objetivo é testar se o modelo de Landau de duas componentes para superfluidos é compatível com a descrição do plasma de quarks e glúons. Seguimos o teste proposto por Chernodub et. al. [Two-component liquid model for the quark-gluon plasma. Theor. Math. Phys., v. 170, p. 211–216, 2012]. Começamos revisando o processo de construção de uma teoria de campo com simetria de gauge e discutindo as leis de conservação associadas às simetrias da teoria. Exploramos a abordagem termodinâmica para teoria quântica e o interessante fato de que, quando combinada com uma teoria de campo, a formulação de integrais de trajetória para teorias quânticas de campo emerge naturalmente. Também apresentamos a necessidade de se introduzir um corte de momento na teoria, e mostramos que embutir o espaço-tempo em uma rede é um meio de introduzir o corte na teoria e renormalizá-la. Como um bônus, isso também permite o cálculo numérico e não-perturbativo de observáveis. Apresentamos um panorama dos aspectos fenomenológicos da colisão de íons pesados relativísticos e o modelo de duas componentes de Landau para superfluidos, bem como uma motivação de teoria quântica de campo para ele, e explicamos detalhes do teste proposto por Chernodub et. al.. Por fim, mostramos os detalhes de nossa implementação juntamente com nossos resultados. Não vemos evidência de que o modelo de superfluidod proposto seja capaz de descrever o plasma. Nós especulamos que isto possa ser causado pela ausência de férmions em nossas simulações.

A cromodinâmica quântica (QCD) é a teoria fundamental que rege as interações fortes, cujas partículas elementares são os quarks e gluons. Em termos de escala de energia, a QCD é caracterizada pela liberdade assintótica (quarks e glúons aproximadamente livres) e confinamento de cor (quarks e gluons confinados dentro de hádrons), sendo o primeiro tratado de maneira perturbativa e o último sendo um fenômeno intrinsicamente não-perturbativo. À temperatura finita, conforme se aumenta a temperatura, a matéria hadrônica sofre uma transição de fase do tipo crossover indo de um gás de hádrons ao plasma de quarks e glúons (QGP). Na vizinhança do crossover, onde os hádrons estão ``derretendo\'\' para formar o QGP, a QCD se encontra em uma região não perturbativa e portanto o QGP nessa região é fortemente acoplado, dificultando estudos analíticos. A chamada dualidade AdS/CFT, também conhecida como holografia, aparece para oferecer uma oportunidade única para o estudo do QGP ao prover um mapa entre teorias fortemente acopladas (muito difícil de serem resolvidas) e uma teoria de gravitação clássica. Na frente experimental, o estudo do QGP é feito em aceleradores de partículas colidindo íons pesados ultrarelativísticos. Nestes experimentos, o QGP criado sofre rápida expansão, com uma intrincada interação entre escalas duras e moles de energia, do estado inicial ao estado final. Tal cenário evidencia a necessidade de formular uma teoria para o QGP que inclua propriedades fora do equilíbrio. Afortunadamente, a dualidade holográfica encaixa-se bem para essa tarefa. Resolvendo-se as equações de Einstein dependentes do tempo, um problema da área da relatividade geral numérica, é possível estudar fenômenos fora do equilíbrio de plasmas fortemente acoplados. Ademais, o diagrama de fase da QCD no plano (T,mu_B), onde T é a temperatura e mu_B o potencial químico bariônico, permanece amplamente desconhecido devido a sua natureza não-perturbativa. Em particular, é conjecturada a existência de um ponto crítico delimitando o crossover de uma transição de fase de primeira ordem. Motivados por tais fatos, esta tese utiliza a dualidade holográfica para analisar o papel do ponto crítico na dinâmica fora do equilíbrio. Por exemplo, é apresentado aqui um estudo de como o ponto crítico afeta o tempo que leva para um plasma não-Abeliano fortemente acoplado adquirir comportamento hidrodinâmico partindo de um estado completamente fora do equilíbrio. / Quantum Chromodynamics (QCD) is the fundamental theory that governs the strong interaction, whose fundamental particles are quarks and gluons. In terms of energy scales, QCD is characterized by asymptotic freedom (approximately free quarks and gluons) and color confinement (quarks and gluons confined inside hadrons), where the former can be treated perturbatively and the latter is an intrinsic non-perturbative phenomenon. At finite temperature, hadronic matter undergoes a crossover phase transition from a gas of hadrons to the quark-gluon plasma (QGP) as the temperature increases. Near the crossover, where hadrons ``melt\'\' to release quarks and gluons, QCD is in its non-perturbative regime and the QGP is strongly coupled, posing great challenges for analytical studies. The so-called AdS/CFT duality, also known as holography, comes to offer a unique opportunity to study the QGP by providing a map between strongly coupled theories (which are generally very hard to solve) and a classical theory of gravity. On the experimental front, the study of the QGP is carried out in particle accelerators by colliding ultrarelativistic heavy ions. In these experiments, the QGP created undergoes rapid expansion and there is a very intricate interplay between soft and hard scales, from initial conditions to final the stream of particles. This scenario makes it evident that one must understand the QGP also out of equilibrium. Fortunately, holography is well suited for this task. By solving the time dependent Einstein\'s equations, using general techniques previously employed in numerical general relativity, one can study non-equilibrium phenomena of strongly coupled plasmas. Furthermore, the QCD phase diagram on the (T,mu_B) plane, where T is the temperature and mu_B the baryon chemical potential, remains largely unknown due to its non-perturbative aspects. In particular, it is conjectured the existence of a critical point delimiting the crossover region from the first order phase transition. Motivated by these facts, this thesis employs holography to analyze the role of the critical point on far-from-equilibrium dynamics. For instance, it is investigated how the critical point affects the time that it takes for a strongly coupled plasma to display hydrodynamic behavior starting from a far-from-equilibrium initial state.

Nesta tese estudamos o fluxo dirigido, a primeira componente na expansão de Fourier da distribuição azimutal das partículas emitidas. Diferente do fluxo elíptico, que é muito bem estudado e descrito na literatura, a física que gera este observável ainda não é muito conhecida. Mostramos que este observável é altamente sensível a condições iniciais, comparando vários resultados numéricos para diferentes condições iniciais, entre analíticas e numéricas. Propomos que o fluxo dirigido também é sensível à aceleração longitudinal e formulamos um modelo analítico baseado nesta hipótese. Este modelo sugere quais ingredientes são relevantes para o fluxo dirigido. Ele é confrontado com sucesso com cálculos numéricos, resultados experimentais e cálculos que não incluem a aceleração longitudinal. / In this thesis we study the directed flow, the first component in the Fourier\'s expansion of the azimuthal distribution of emitted particles. Unlike the elliptic flow, which is well studied and described in the literature, the physics that generates this observable is not yet well described. We show that this observable is highly sensible to the initial conditions, comparing several numeric results with different initial conditions, between analytic and numeric ones. We propose that the directed flow is also sensitive to the longitudinal acceleration and we formulate an analytic model based in this hypothesis. This model suggests which ingredients are relevant to the directed flow. It is confronted with success against numeric calculus, experimental results, and calculus that do not include the longitudinal acceleration.

Quarks charm são criados em estágios iniciais da colisão de íons pesados em processos de espalhamento duro. Portanto eles são sondas ideais para o Plasma de Quarks e Glúons (QGP), que é um estado da matéria em que os partons contidos em hadrons, em condições de alta temperatura (150 MeV) ou densidade (cerca de cinco vezes a densidade da matéria ordinária), passam para um estado livre de quarks e glúons. A fragmentação de quarks charm pode produzir mésons D. Jatos contendo um méson D como um de seus constituentes podem ser identificados como originados de uma fragmentação de quark pesado. Jatos contendo mésons D são valiosas ferramentas para caracterizar interações de quarks charm com o plasma. Jatos de charm podem fornecer informações para o estudo da perda de energia dependente da massa pela medida da modificação da produção de jatos de charm em colisões de núcleos de chumbo com respeito a colisões entre prótons em função do momento transversal dos jatos. Além disso, uma visão mais profunda pode ser obtida com a medida da distribuição da fração de momento, que é de particular interesse para investigar a possível influência do meio na fragmentação de quarks charm em jatos. Mésons D são reconstruídos através da análise de massa invariante de seu canal de decaimento hadrônico, rejeitando uma grande quantidade de fundo combinatório com seleções topológicas e explorando o tempo de vida relativamente longo de mésons D e as capacidades de identificação de partículas do detector ALICE. Jatos são reconstruídos com o algoritmo anti-kT usando candidatos a mésons D e partículas carregadas. A medida do espectro de momento transversal de jatos contendo mésons D em colisões de núcleos de chumbo a energias de sNN = 5.02 TeV será apresentada. Esses resultados levam a novas possibilidades de sondagem das propriedades do QGP quando comparados com medidas de referência. Por fim, os métodos desenvolvidos podem ser empregados no estudo das funções de fragmentação de quarks charm em colisões de íons pesados. / Charm quarks are created in the early stages of heavy-ion collisions in hard-scattering processes. Therefore, they are ideal probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP), which is a state of matter where partons contained in hadrons, at high temperatures (150 MeV) or density (about five times the density of ordinary matter), change to a deconfined state of quarks and gluons. The fragmentation of charm quarks can produce D mesons. Jets containing a D meson as one of their constituents can be identified as originating from heavy-quark fragmentation. These jets are a valuable tool to characterize the charm interaction with the QGP. Charmed jets can provide information to the study the mass-dependent energy loss by the measurement of the modification of the charm-jet yield in Pb-Pb collisions with respect to pp collisions as a function of the jet transverse momentum. Moreover, a further insight can be obtained with the measurement of the momentum-fraction distribution, which is of particular interest to investigate the possible influence of the medium in the charm-jet fragmentation. D mesons are reconstructed through an invariant mass analysis of their hadronic decay channels, rejecting the large combinatorial background with topological selections exploiting the relatively large lifetime of D mesons and the particle identification capabilities of the ALICE detector. Jets are reconstructed with the anti-kT algorithm using D-meson candidates and charged tracks. The measurement of the transverse momentum spectrum of jets containing D mesons in Pb-Pb collisions at sNN = 5.02 TeV will be presented. These results lead to new possibilities of probing the QGP properties when compared to baseline measurements. Furthermore, the methods developed can be employed in the study of charm-quark fragmentation functions in heavy-ion collisions.

Neste trabalho foram realizadas, no Laboratório Pelletron do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, medidas de coincidência entre partículas com momentos relativos pequenos para os sistemas 160+10B e 160+ 12C nas energias de 62,5 e 64,0 MeV, respectivamente. Para isso, foi utilizado um hodoscópio composto de 14 telescópios do tipo E-E, capazes de medir a energia tanto de partículas pesadas (Z>2) como leves (Z2). A partir dessas medidas foram obtidos espectros de diferença dos módulos das velocidades (vdif) e funções correlação em momento relativo (prel) para vários pa res de partículas. A análise do espectro de vdif permite determinar a proporção relativa entre as duas seqüências de emissão possíveis para um dado par de partículas. A região da anticorrelação na função correlação permite obter informações sobre a escala temporal referente ao intervalo de tempo entre a emissão da primeira e da segunda partícula. Para o ajuste tanto do espectro de vdif como da função correlação foi utilizado um programa que simula a emissão sequencial de duas partículas a partir de um núcleo composto, no qual a fração das sequências de emissão e a escala temporal são parâmetros ajustáveis. Correlações envolvendo somente partículas leves forneceram resultados para as escalas temporais da ordem de 10-20 s a 10-19 s, compatíveis com evaporação sequencial de um núcleo composto. Correlações envolvendo partículas leves e pesadas forneceram escalas temporais da ordem de 10-20s compatíveis com a fissão de núcleos residuais após a emissão de uma partícula leve. / Particle-particle correlation measurements at small relative momenta for the 160+10B and 160+ 12C systems at Elab = 62.5 and 64 MeV, respectively, were performed at the University of São Paulo - Pelletron Laboratory. The experimental setup consisted of a hodoscope composed by fourteen triple telescopes which provide the energy for both light (Z 2 ) and heavy (Z>2) particles. Velocity difference (vdifl) spectra a nd correlation functions at small relative momenta were obtained for many particle pairs. The velocity difference spectrum provides information about the emission order for the particles. The anticorrelation region in the correlation function provides information about the time between the first and second emission. A simulation code that calculates sequencial emission from a compound nucleus and for which the emission order and time scale are parameters was used to fit both the vdiff spectrum and the correlation function. The time scales obtained for light particle correlations are between 10-20 and 10-19 s and they are in agreement with predictions for the evaporation of compound nuclei. Correlations between light and heavy particles give time scales of about 10 -20 which are compatible with fission of the residual nuclei after a light particle emission.

O Plasma de Quarks e Glúons é um novo estado da matéria criado brevemente em colisões nucleares de alta energia no RHIC (acelerador localizado no Brookhaven National Laboratory) e no LHC (acelerador do CERN, na Suíça). Para pesquisar suas propriedades e estado inicial, várias análises e métodos são usados. Neste mestrado, foi pesquisada a recém proposta Análise em Componentes Principais para multiplicidade e fluxo anisotrópico. É discutida sua sensibilidade ao tamanho das inomogeneidades no estado inicial bem como (de maneira indireta) ao tipo de condições iniciais e energia da colisão. Foi feita também uma comparação com dados experimentais recém obtidos pela colaboração CMS do LHC. O resultado talvez mais promissor é a diferença qualitativa entre dados de flutuações de multiplicidade e resultados de simulações hidrodinâmicas com certas condições iniciais. / The Quark Gluon Plasma is a new state of matter created briefly in high energy nuclear collisions at RHIC (accelerator located at Brookhaven National Laboratory) and at LHC (accelerator at CERN, Switzerland). To research its properties and initial state, many analysis and methods are used. In this master, the recently proposed Principal Component Analysis was studied for multiplicity and anisotropic flow. Its sensitivity to the size of inhomogeneities in the initial state as well as (indirectly) to the kind of initial conditions and collision energy is discussed. Also, a comparison was done with experimental data recently obtained by the CMS collaboration from LHC. Maybe, the most promising result is the qualitative difference between data from multiplicity fluctuations and results from hydrodynamic simulations with different initial conditions.

Space radiation and its effects on human life and sensitive equipment are of concern to a safe exploration of space. Radiation fields are modified in quality and quantity by intervening shielding materials. The modification of space radiation by shielding materials is modeled by deterministic transport codes using the Boltzmann transport equation. Databases of cross sections for particle production are needed as input for transport codes. A simple model of nucleon-nucleon interactions is developed and used to derive differential and total cross sections. The validity of the model is verified for proton-proton elastic scattering and applied to delta-resonance production. Additionally, a comprehensive validation program of the nucleus-nucleus fragmentation cross section models NUCFRG2 and QMSFRG is performed. A database of over 300 experiments was assembled and used to compare to model fragmentation cross sections.

O principal objetivo de experimentos envolvendo colisões de íons pesados relativísticos é estudar a matéria nuclear sob condições extremas de temperatura e densidade. Sob tais condições, acredita-se que a matéria transite para um novo estado no qual quarks e glúons deixem de estar confinados, o plasma de quarks e glúons (PQG). A produção de partículas estranhas é uma importante ferramenta para a caracterização desse novo estado. O aumento da produção dessas partículas já era considerado como sendo um possível sinal para a existência do plasma de quarks e glúons mesmo antes da obtenção dos primeiros resultados experimentais do RHIC. Nesse trabalho, é feita a determinação da produção das partículas estranhas neutras K0s , e em colisões Cu+Cu ap sNN = 62:4 GeV, utilizando o intervalo de rapidez y < j0:75j. Em seguida, esses dados são comparados a modelos teóricos (estatístico -termodinâmicos, coalescência e core-corona) para entender o processo de produção dessas partículas em colisões de íons pesados relativísticos. / The main goal of relativistic heavy ion collisions is to study nuclear matter under extreme conditions of temperature and density. It is under these conditions that it is believed that a phase transition to a new state of matter where quarks and gluons are no loger conned takes place, the so called Quarks and Gluon Plasma. Strange particle production is an important tool for the characterization of this new state of matter. Strangeness enhancement was considered as a possible evidence for the formation QGP even before the rst RHIC experimental results. In this thesis, it is determined a production of neutral strange particles K0 s and in Cu+Cu collisions at p sNN = 62:4 GeV, using a rapidity range y < j0:75j. These data are compared to theoretical models (statistical-thermodynamic, coalescence and core-corona) in order to understand the hadronization process in relativistic heavy ions collisions.

Abstract not available