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.

L'expérience de diffusion Compton profondément virtuelle sur le proton (DVCS) du Hall A a pris le faisceau d'électrons de 5.757 GeV polarisé du Jefferson Laboratory de septembre à décembre 2004. Elle a utilisé un spectromètre à haute résolution associé à un calorimétre électromagnétique en fluorure de plomb et à un detecteur de protons tous deux spécialement con\c cus pour fonctionner à une haute luminosité de 10^37cm^-2s^-1 permettant de signer les<br />événements exclusifs sans ambiguïté. Trois mesures ont été effectuées a x_bjorken=0.32 constant pour 3 valeurs de Q^2 : 1.5 GeV^2, 1.91GeV^2, 2.32 GeV^2. Une électronique dédiée a aussi été mise en place permettant de résoudre l'empilement durant l'analyse ainsi q'un module de coïncidence électron photon. Les données de la cinématique à 2.32 GeV^2 et s=5.6GeV^2 ont permis d'extraire un résultat préliminaire pour la section efficace d'électroproduction exclusive de pi^0 sur le proton.

La théorie effective à basse énergie du secteur électrofaible sans particule de Higgs utilise les méthodes de la Théorie de perturbation Chirale. La formule de comptage de Weinberg permet un développement cohérent en boucles et la renormalisation correspondante. On trouve que certains opérateurs effectifs, supprimés par une échelle de masse dans le cas du Modèle Standard, ne le sont plus dans le cas sans particule de Higgs. De plus, ils apparaissent à l'ordre dominant du développement chiral, en conflit avec les expériences. Pour décrire leur suppression, on demande l'invariance sous la symétrie obtenue lorsque le secteur composite (produisant les trois modes de Goldstone) et le secteur élémentaire (quarks, leptons et champs de Yang-Mills) sont découplés. On introduit alors les couplages en réduisant la symétrie à<br />SU(2)xU(1) via des spurions. Les opérateurs indésirables n'apparaissent qu'aux ordres supérieurs du développement simultané en puissances des impulsions et des spurions. De plus, la brisure de l'isospin faible est traitée de façon systématique et la formule de comptage de Weinberg peut être reproduite. Les spurions permettent de rendre compte des faibles masses des neutrinos actifs. Les trois neutrinos droits, légers par rapport au TeV, introduits afin de préserver une symétrie custodiale, sont quasi-stériles et stables. On étudie également le raccordement des anomalies dans le secteur composite, généralisant la construction de Wess-Zumino: on obtient une contrainte sur la théorie sous-jacente. Appliquant le formalisme des spurions aux modèles "moose" linéaires ouverts, on démontre des règles de somme de Weinberg généralisées.

La physique des collisions d'ions lourds (ultra-)relativistes a pour objectif principal l'élaboration de l'équation d'état de la matière nucléaire par l'examen de ses propriétés dans des conditions extrêmes de température et de pression.<br />A basse énergie, les collisions d'ions lourds permettent de sonder la matière nucléaire modérément chaude à grande densité baryonique.<br />A haute énergie, la chromodynamique quantique prédit le déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et de gluons.<br />La première partie de ce document est consacrée à l'étude de la production d'étrangeté dans les collisions d'ions lourds aux énergies du SIS avec le détecteur FOPI installé au GSI.<br />La deuxième partie de ce document est consacrée à l'étude de la production des saveurs lourdes dans les collisions d'ions lourds aux énergies du LHC avec le détecteur ALICE installé au CERN.

Le cadre général de cette thèse est la théorie des champs à température finie, et plus particulièrement le calcul perturbatif<br />des fonctions de Green thermiques. Dans une première partie sont considérés trois problèmes plutôt en relation avec le<br />formalisme lui-même. Après deux chapitres introductifs destinés à mettre en place le cadre et les notations utilisées par la<br />suite, un chapitre est dédié à clarifier certains aspects de la justification des règles de Feynman du formalisme à temps réel.<br />Ensuite, je m'intéresse dans le chapitre 4 au problème des règles de coupure dans les formalismes à temps réel. En<br />particulier, outre la résolution d'une controverse à ce sujet, je donne les règles de coupure à utiliser dans la version<br />``retardée-avancée'' de ce formalisme. Enfin, le dernier problème abordé dans la première partie est celui de la désintégration<br />du pion en deux photons dans un environnement thermique. J'y montre que les contradictions existant dans la littérature à ce<br />sujet sont dues à certaines propriétés analytiques des fonctions de Green thermiques. La deuxième partie concerne le calcul<br />du taux de production de photons ou de paires de leptons (photons virtuels) par un plasma de quarks et de gluons. Le cadre<br />de ce travail est la réorganisation du développement perturbatif obtenue par la sommation des diagrammes connus sous le<br />nom de boucles dures. Le premier volet de cette étude concerne la production de photons virtuels où l'on montre que des<br />contributions importantes arrivent à deux boucles et complètent le résultat déjà connu à une boucle. L'autre volet est la<br />production de photons réels, pour lesquels on montre que des divergences colinéaires extrêmement fortes rendent les<br />contributions à deux boucles largement dominantes devant les contributions à une boucle. Dans les deux cas, le phénomène<br />observé peut être interprété comme des insuffisances de l'approximation qui conduit aux boucles dures.

NOMAD est une expérience de recherche des oscillations de neutrinos nu_mu -> nu_tau et nu_mu -> nu_e, placée dans le faisceau de nu_mu du SPS du CERN. L'intérêt de cette<br />recherche est lié aux problêmes des masses des neutrinos et des mélanges de<br />saveurs.<br />Cette thèse décrit une recherche des oscillations nu_mu -> nu_e fondée sur l'ensemble<br />des données de NOMAD accumulées durant les quatre années (1995-1998) de<br />son fonctionnement. La recherche de l'apparition des nu_e est faite en utilisant les<br />interactions courant chargée (CC) dans le détecteur NOMAD. La sélection des<br />interactions nu_e CC et nu_mu CC à l'aide de différents algorithmes d'identification<br />des particules dans les sous-détecteurs de NOMAD ainsi qu'à l'aide de critère<br />cinématique d'événement est étudiée ici en détail.<br />Nous montrons que NOMAD est sensible à la région des paramètres des oscillations nu_mu -> nu_e favorisée par l'expérience LSND pour les différences de masses<br />au carrée supérieures à 10 eV2/c4.<br />L'analyse étant faite "en aveugle" et l'étude des systématiques liées au faisceau se poursuivant dans la collaboration, seule une fraction des données de<br />NOMAD, l'échantillon de contrôle, a pu être utilisé pour déduire la limite supérieure de la probabilit d'oscillation nu_mu -> nu_e.

The International Linear Collider (ILC), a high precision electron-positron machine with centre of mass energy extending up to the TeV scale, is curently being proposed and designed. With unprecedented small beam size and high intensity the ILC aims at luminosities of the order of $10^(34)$~cm$^(-2)$s$^(-1)$. Careful monitoring of the beam parameters that affect the luminosity will be mandatory if these ambitious goals are to be achieved.<br /><br />One of the key parameters is beam emittance, the optimisation of which requires beam size monitors with micron resolution.<br />With this aim, a non-invasive laser-wire monitor prototype was designed, installed and run at the PETRA ring. Prior to its installation, background simulations and measurements were performed to verify that they would be low enough to allow<br /> the laser-wire programme to proceed. A lead-tungstate crystal calorimeter for the laser-wire was commissioned, including a study of temperature dependance, geometrical acceptance and energy response. The first laser-wire measurements of the PETRA positron beam size were then performed. The system, calibration and results are reported here.<br /><br />At the ILC, beam energy spread and beamstrahlung effects modify the luminosity spectrum. Determination of these effects is crucial in order to extract precision physics from threshold scans. In order to provide a run-time diagnostic scheme to address this, a fast luminosity spectrum measurement technique employing forward calorimetry and statistical unfolding was devised, using the Bhabha process at low angles. The scheme is described and first results are presented.

Le détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo traverse actuellement sa phase de mise en route, ou commissionning , qui précède la recherche de sources astrophysiques, à laquelle il est destiné. Le travail décrit dans cette thèse s'est concentré sur la préparation de méthodes d'analyses des données, et sur leur application à des prises de données effectuées au cours de la progression du détecteur. Ces méthodes sont donc décrites ainsi que leur validation et les résultats obtenus sur les données.<br /><br />La première partie de cette analyse concerne la réponse du détecteur aux ondes gravitationnelles. D'abord, la procédure d'étalonnage consiste à mesurer cette réponse, pour en déduire la sensibilité du détecteur aux différentes fréquences ; elle a permis de suivre l'évolution de Virgo sur les deux dernières années. Elle est suivie de la reconstruction du signal gravitationnel, processus qui compense les effets de cette réponse sur les données et en soustrait certains bruits.<br /><br />La deuxième partie concerne la recherche de signaux de coalescences binaires dans les données reconstruites. La méthode étudiée est une implémentation alternative - recherche multi-bandes ou multi-band template analysis- de la méthode optimale, la mise en oeuvre de cette dernière étant limitée par les moyens de calculs. L'équivalence de cette implémentation alternative avec la méthode usuelle est vérifiée, grâce à des tests en simulation. La méthode est ensuite appliquée aux deux prises de données les plus récentes, avec le double objectif de se préparer aux futures recherches astrophysiques et de caractériser le fonctionnement actuel du détecteur. La préparation des futures analyses en collaboration avec l'expérience LIGO est abordée enfin, sous la forme d'une première comparaison quantitative des chaînes d'analyses pour la recherche de coalescences binaires des deux expériences.

La QCD sur réseau prévoit, à potentiel chimique baryonique mu_B nul ou proche de zéro, une transition de la matière de type "crossover" d'un gaz de hadrons vers le Plasma de Quarks et Gluons. Les collisions d'ions lourds ont été proposées pour le recréer et l'étudier en laboratoire. Aussi, les collisions Au+Au, d+Au à sqrt(s_(NN))= 200 GeV et Au+Au à 62.4GeV délivrées au RHIC ont été sondées par la mesure des Xi- et Xi+ dans l'expérience STAR. L'évolution des taux de production avec la taille et l'énergie du système renseigne sur les propriétés chimiques de la collision et est interprétée dans le cadre de modèles hadroniques et statistiques. Le facteur de modification nucléaire R_(CP) des Xi révèle : (1) une dépendance mésons/baryons pour 2 < p_T < 5GeV/c bien reproduite par des modèles de coalescence/recombinaison de quarks, (2) la formation d'une matière dense signée par la suppression de R_(CP) à p_T > 3GeV/c, (3) une forte interaction entre constituants suggérant l'existence de phénomènes collectifs. Le flot des $\Xi$ et plus généralement des particules multiétranges est intéressant pour sonder les premiers instants de la collision aux possibles degrés de liberté partoniques. Il est étudié et commenté dans ce mémoire de thèse.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes permettent l'étude de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes de température et de pression et, en particulier, d'une nouvelle phase de la matière nucléaire : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Le collisionneur RHIC, situé au Laboratoire National de Brookhaven (USA), réalise de telles collisions. PHENIX, l'un des quatre détecteurs en fonctionnement sur ce collisionneur, est le seul capable de mesurer des muons. Dans ce mémoire, nous présentons une analyse des données dimuons récoltées en collisions p + p par PHENIX lors de deux campagnes de prises de données (runs 3 et 4). Les collisions p + p fournissent une référence indispensable à l'interprétation des collisions d'ions lourds. L'objectif de l'analyse décrite dans ce mémoire est l'extraction des sections efficaces de production des composantes physiques du spectre dimuon observé à RHIC en collisions p + p : $J/\psi$ , charme ouvert et Drell-Yan. Cette analyse s'appuie sur un ajustement global du spectre de masse invariante dimuon. Cet ajustement a été possible grâce à l'étude préalable par simulation des formes des distributions en masse des différentes contributions physiques. Les taux de production des différentes contributions ont ainsi pu être déduits. Enfin, l'étude de la réponse du détecteur à chaque contribution et l'introduction des diverses efficacités ont permis l'obtention des sections efficaces de production. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats déjà existants et montrent un bon accord général. Le travail présenté dans ce mémoire constitue la première estimation de la section efficace de production du charme dans le canal dimuon ainsi que la première estimation de la section efficace de production du Drell-Yan à RHIC.