La physique des ions lourds a pour objectif ultime d'étendre le domaine d'application du Modèle Standard de la physique des particules à des systèmes de taille finie, complexes et dynamiques. En particulier, elle vise à comprendre comment apparaissent, à partir des lois microscopiques de la physique des particules élémentaires, des phénomènes collectifs et des propriétés macroscopiques mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté. La réalisation de ce programme scientifique passe par une caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), l'état déconfiné de la matière nucléaire qui peut être formé à l'aide de collisions d'ions lourds accélérés à des énergies ultra relativistes. L'expérience ALICE exploite les collisions Pb-Pb, proton-Pb et proton-proton du LHC pour mesurer les propriétés fondamentales du QGP comme, par exemple, la température critique du déconfinement ou les coefficients de transport de la matière déconfinée. L'état QGP de la matière aurait été, selon le modèle cosmologique du Big Bang, l'état de la matière dans l'Univers naissant entre le moment de la transition de phase électrofaible et le moment du confinement, correspondant à une nouvelle transition de phase de la matière. Connaître la structure du QGP ainsi que ses propriétés dynamiques est ainsi un prérequis pour comprendre l'évolution de l'Univers. Une brève introduction au QGP et à la physique des ions lourds est donnée au Chapitre 1. L'équipe ALICE de l'IPN de Lyon a participé au développement de l'expérience ALICE à travers deux contributions. La première est la construction d'un détecteur nommé VZERO, qui se compose de deux hodoscopes de scintillateurs organiques situés de part et d'autre du point d'interaction. La fonction première du VZERO est le déclenchement de bas niveau de l'ensemble de l'expérience ALICE en fournissant également un déclenchement sensible à la densité d'énergie disponible lors de la collision. Les performances de ce détecteur se sont montrées suffisantes pour qu'il devienne un détecteur crucial à l'expérience, permettant la mesure de la luminosité délivrée par le LHC à l'expérience ALICE ainsi que la mesure des caractéristiques géométriques de la collision. Le VZERO est également utilisé pour des mesures relatives à la physique du QGP comme la mesure de la densité de particules chargées produites dans la collision ou la mesure de l'écoulement collectif induit par la présence du QGP. Le détecteur VZERO est décrit au Chapitre 2. Le QGP peut être étudié par le biais de nombreuses observables. Parmi celles-ci, l'étude de la production de muons est l'une des plus prometteuses. En effet, les muons sont produits à toutes les étapes de l'évolution du plasma et, n'interagissant pas fortement avec le milieu créé, s'échappent librement du plasma, nous renseignant ainsi sur les propriétés du milieu à toutes les phases de son évolution. L'expérience ALICE dispose d'un spectromètre à muons permettant ces mesures. La seconde contribution du groupe est le développement d'un système de contrôle de la position des chambres de trajectographie du spectromètre à muons de ALICE, nommé GMS (Geometry Monitoring System). Le système GMS, constitué d'un réseau de senseurs optiques, permet de mesurer les déplacements lents des chambres de trajectographie avec une résolution de l'ordre de 45 microns. Ce système a permis d'atteindre les performances attendues du spectromètre en terme de résolution en impulsion. J'ai eu la chance de participer à toutes les étapes de la construction de ces détecteurs, à leur mise en place et leur utilisation lors du run 1 du LHC (prise de données couvrant les années 2009 - 2013). Le spectromètre à muons et son système d'alignement sont décrits au Chapitre 3. Le groupe ALICE de l'IPNL a une longue histoire scientifique dans l'étude des collisions d'ions lourds. L'équipe a en particulier participé aux expériences NA38, NA50 et NA60 auprès du SPS du CERN. Historiquement, le groupe est donc impliqué dans l'étude du spectre en masse invariante dimuon. Depuis les débuts de la composante Muon de l'expérience ALICE, le groupe a la charge de l'étude de la production des mésons vecteurs de basse masse ( $\rho, \omega, et \theta$ ) dans leur canal de désintégration dimuonique. Les mésons vecteurs de basse masse, et principalement le méson , sont sensibles aux effets de milieu et à la restauration de la symétrie chirale, symétrie spontanément brisée dans QCD aux énergies et densités normales, mais une restauration de celle-ci est prédite par les calculs de QCD sur réseau aux températures atteintes au LHC. L'étude des mésons vecteurs de basse masse est décrite au Chapitre 4. Une nouvelle phase de l'expérience ALICE est devant nous : l'amélioration des détecteurs actuels afin de pouvoir profiter pleinement de la montée en énergie et en luminosité du LHC après 2018. Dans le cadre de ces améliorations, un nouveau détecteur en pixels de silicium (Muon Forward Tracker - MFT) a été proposé et accepté par la collaboration ALICE et le comité LHC, permettant la mesure des muons dans l'acceptance du spectromètre actuel. La mise en concordance des informations provenant du spectromètre à muons d'une part et du MFT d'autre part permettra d'enrichir de façon spectaculaire le programme de physique accessible dans le domaine des muons. Les analyses actuelles seront bien entendues améliorées, mais surtout de nouvelles mesures seront possibles grâce à l'ajout du MFT. Parmi celles-ci nous pouvons citer la possibilité de séparer les J/$\psi$ prompts de ceux provenant de la décroissance de hadrons beaux et ce jusqu'à une impulsion transverse nulle. Le MFT et ses performances attendues sont décrits au Chapitre 5.

Le but de cette thèse est d'évaluer le potentiel de découverte par le détecteur ATLAS au Large Hadron Collider (LHC) du boson de Higgs du modèle standard. Le mode de production etudié est défini par la fusion de bosons vecteurs (VBF) suivie de la désintégration en une paire de leptons τ (H → τ ^+ τ ^−). C'est l'un des canaux de découverte les plus prometteurs pour un boson de Higgs de basse masse, qui est favorisé par les mesures de précision dans le secteur électro-faible. Deux modes de désintégration ont été étudiés: celui où les deux leptons τ se d´esintègrent en lepton et celui où un lepton τ se désintègre en lepton et l'autre en hadron. La topologie caractéristique de fusion de bosons vecteurs, qui est constituée des deux jets vers l'avant du détecteur et des produits de désintégration de boson de Higgs dans la région centrale, fournit une signature unique permettant la suppression du bruit de fond. En outre, puisque la fusion des bosons vecteurs est un processus purement électro-faible, aucune activité de QCD n'est prévue et donc aucun jet central n'est attendu pour des événements de signal. Ceci permet l'application de la coupure de “central jet veto” pour encore réduire le bruit de fond. Une analyse basée sur des coupures a été utilisée, se concentrant sur l'optimisation de la coupure de “central jet veto”. L'objectif principal était d'étudier le potentiel de découverte du boson de Higgs avec ATLAS, sous une luminosité intégrée de 30 fb^−1 dans la gamme de masse 115 GeV≤ m_H ≤140 GeV, pour une énergie au centre de la masse √s=14 TeV. Après l'application des coupures, un excès au-dessus de 5σ de signal significance a été trouvé pour la gamme de masse 115 GeV ≤ m_H ≤125 GeV. Dans le canal de désintégration H → τ^ + τ ^ −, la résolution de l'énergie transverse manquante ( E_T ) est importante puisqu'elle affecte directement la résolution sur la masse du boson de Higgs. Cela a été la motivation initiale pour réaliser et présenter dans cette thèse une étude de “commissioning” calorimétrique basé sur les quantités E_T , plus particulièrement sur la contribution du bruit de l'électronique, mesurée dans des événements cosmiques enregistrés pendant l'automne 2008. Un comportement gaussien de bruit dans tous les calorimètres de l'argon liquide a été trouvé, tandis qu'un comportement non-gaussien dans une partie du calorimètre à tuile scintillante a été observé. Pour ce dernier, un nouveau modèle de bruit a été examiné utilisant une paramétrisation de double gaussienne ayant pour résultat une description plus réaliste. En conclusion, cette analyse a fourni un outil de “commissioning” du calorimètre, qui a permis l'observation et la correction de plusieurs effets dans le comportement des calorimètres d'ATLAS.

Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes de diffusion Raman induite par les collisions dans le cas du CO2 comprimé et en mélange avec de 'argon, ceci pour les bandes v2 et v3. Nous avons analysé des mélanges de concentrations relatives différentes, dans l'intervalle de pressions 10-100 atm, et déterminé les sections efficaces, qui caractérisent les interactions CO2-CO2 et CO2-Ar, en unités absolues. Nous avons optimisé le seuil de détection du signal, ce qui nous a permis, pour la première fois, d'acquérir les deux moments principaux qui caractérisent les diffusions isotrope et anisotrope. Nous avons découvert un nouvel effet : une diffusion Raman qui change la parité de la molécule libre et qui est liée à l'émission dipolaire magnétique. Pour interpréter quantitativement les moments mesurés, nous avons élaboré une technique diagrammatique pour calculer les caractéristiques électro-optiques des couples déterminés par les interactions à longues distances. L'analyse diagrammatique de la polarisabilité induite a permis de révéler le nouveau mécanisme d'induction qui est lié à la polarisation non linéaire du partenaire de collision par le champ extérieur et par le champ du moment dipolaire transitoire de la molécule qui effectue la transition ( mécanisme NLD). Nous avons défini les formules des moments des bandes Raman induites par les interactions anisotropes des couples de molécules linéaires. Notre calcul a montré le rôle substantiel du mécanisme NLD dont la prise en compte permet d'obtenir un bon accord avec les résultats expérimentaux.

Cette thèse traite de la magnétométrie dans le cadre de la mesure du moment électrique dipolaire du neutron avec le spectromètre RAL/Sussex/ILL. En particulier, le co-magnétomètre mercure, pré-existant, a été modélisé et optimisé en vue de son utilisation pour les prochaines mesures au Paul Scherrer Institut (Villigen, Suisse) en 2010-2012. Sur la base de données prises a l'Institut Laue-Langevin (Grenoble, France), la complémentarité entre la magnétométrie externe césium et la co-magnétométrie mercure a été étudiée. Un tel système de double magnétométrie est unique. Cette étude débouche sur une méthode permettant un meilleur contrôle des erreurs systématiques liées au co-magnétomètre mercure et sur une nouvelle contrainte sur des couplages exotiques du neutron libre violant l'invariance de Lorentz.

Le LHC est un collisionneur de protons d'une énergie de 14 TeV dans le centre de masse situé au CERN. Les premières collisions sont attendues à l'automne 2009. L'expérience ATLAS est l'une des deux expériences généralistes installées auprès du LHC. L'énergie disponible et la haute luminosité du LHC permettront à ATLAS de rechercher le boson de Higgs ainsi que les nouvelles particules prédites par les modèles de physique au-delà du modèle standard. Les muons occupent une place importante pour les mesures du modèle standard ainsi que pour la recherche de nouvelle physique. Cette thèse étudie la recherche directe de Z' se désintégrant en une paire de muons. Un petit nombre d'événements suffit pour découvrir un Z' ce qui est envisageable dès les premières collectes de données. On y étudiera notamment les effets de l'alignement du spectromètre à muons sur des traces de haut pT et sur le potentiel de découverte de Z' de l'expérience ATLAS. Cette analyse s'inscrivant dans le cadre du démarrage du LHC, l'alignement du spectromètre à muons n'aura pas atteint les performances nominales. Des muons de hauts pT ont été utilisés pour estimer l'impact d'un alignement dégradé sur la reconstruction de traces. Les comparaisons ont été faites en terme d'efficacité de reconstruction, de résolution en impulsion et en masse invariante, d'identification de la charge et de sensibilité à la découverte ou à l'exclusion. Pour les premières données du LHC une analyse avec le spectromètre seul est nécessaire. Enfin, une étude complète pour déterminer la géométrie initiale du spectromètre à muons en utilisant des traces sans champ magnétique toroïdal a été menée.

DO est l'une des 2 expériences du collisionneur p-pbar du Fermi National Accelerator Laboratory près de Chicago. Après 5 années d'arrêt, le Run II a débuté en mars 2001. Il permettra d'explorer de nouveaux domaines de masses de squarks et de gluinos, particules supersymétriques dont la signature en jets et énergie transverse manquante est l'objet de ce travail. Mais, avant le démarrage, j'ai travaillé sur des améliorations hardware et software de la mesure de l'énergie, essentielle pour les jets et l'énergie transverse manquante.<br> Une simulation des chaînes de lecture et de calibration de chaque voie du calorimètre a été réalisée. Son résultat dépend de 8 grandeurs caractéristiques qui ont été extraites par traitement du signal de mesures de réflectométrie temporelle. Elle permettra de définir une stratégie de calibration du calorimètre.<br> Une clusterisation des dépôts d'énergie calorimétrique a été réalisée (cel1NN) basée sur la cellule et non la tour et exploitant au maximum la granularité du calorimètre notamment en débutant dans le Sème compartiment électromagnétique, 4 fois plus granulaire que les autres. L'information longitudinale permet de séparer les particules électromagnétiques et hadroniques superposées. Ainsi, tous les éléments indispensables â la reconstruction individuelle des gerbes sont mis en oeuvre.<br> Puis, l'energy flow combine les clusters ce11NN et les traces reconstruites dans la cavité centrale pour conserver la meilleure mesure de l'énergie et améliorer ainsi la reconstruction du flux d'énergie de chaque événement.<br> L'efficacité des déclenchements calorimétriques actuels a été déterminée et utilisée pour une recherche de squarks et gluinos utilisant des événements Monte Carlo dans le cadre de mSUGRA. Une limite inférieure sur les masses des squarks et des gluinos qu'atteindra DO avec 100 pb-1 de luminosité est prédite â partir d'outils de reconstruction standards; elle pourra être améliorée grâce à l'utilisation de l'energy flow.

Apres une quinzaine d'annees de developpement, le detecteur Atlas est operationnel. Fin 2008, il enregistra plusieurs millions d'´evenements cosmiques ainsi les premieres donnees à un faisceau LHC. Cette reussite est le resultat d'une longue strategie de tests sous faisceau et des efforts menes par la collaboration lors de la mise en service dans la caverne du detecteur. Une exploitation rapide et fiable des premieres donnees pour la recherche du boson de Higgs et de nouvelle physique est donc attendue. J'ai contribue significativement à la mise en service du calorim`etre ´electromagn´etique (EM). Je me suis interesse à l'´etude de la reponse de ce sous d´etecteur aux muons cosmiques. Ces premieres donnees ont permis de rechercher des canaux morts, de tester la reconstruction de l'´energie ainsi que l'uniformite spatiale de la reponse du detecteur. Ma participation à cette mise en service s'est poursuivie par l'´etude des donnees acquises à l'aide d'un seul faisceau lors du demarrage du LHC (Sept. 2008). L'expertise du calorimetre EM acquise m'a ensuite permis d'etudier l'impact de la qualite des premieres donnees du LHC sur le potentiel de decouverte d'un Z' --> e+e-. Les limites induites par de possibles problemes hardware ou d'etalonnage en énergie ont été estinees. Etant donne le nouvel agenda du LHC, cette analyse sera possible avec les collisions pp à 10 TeV de 2010.

Le programme de physique de l'expérience ATLAS auprès de l'accélérateur LHC au CERN couvre un vaste domaine allant de la physique du Modèle Standard, avec la recherche d'un boson de Higgs, à la recherche de nouvelle physique (comme la recherche de super-symétrie ou de dimensions supplémentaires). Cette thèse s'oriente selon deux axes principaux. Elle présente premièrement des études liées à l'électronique de calibration et d'acquisition des signaux issus du calorimètre électromagnétique à argon liquide du détecteur ATLAS. Deuxièmement, elle présente des études menées dans le cadre de la recherche d'un boson de Higgs du Modèle Standard dans sa désintégration en deux photons : l'un des canaux de recherche les plus importants dans la région de basse masse favorisée par des mesures de précision et des prédictions théoriques. Ces études portent en particulier sur la reconstruction et l'utilisation des photons convertis en paires électron-positron dans le but d'améliorer le potentiel de découverte du boson de Higgs dans ce canal de désintégration. D'autres aspects liés à la validation du code de simulation rapide du détecteur ATLAS y sont également décrits, concernant ses performances sur la simulation et la reconstruction des photons convertis et non-convertis mais aussi sur le signal de physique $H\to\gamma\gamma$.

Le modèle standard de la physique des particules décrit la matière constituée de particules élémentaires qui interagissent via les interactions fortes et électrofaibles. Le quark top est le quark le plus lourd décrit par ce modèle et a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et D0 dans les collisions proton-antiproton du Tevatron. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paire de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant un lepton, un tau hadronique, deux jets de b et de l'énergie transverse manquante. Cette analyse utilise les données collectées au début du Run IIb entre juillet 2006 et aout 2007, soit une luminosité de 1,2 fb-1 qui sont combinées avec les données du Run IIa pour atteindre une luminosité de 2,2 fb-1. Une partie du travail de thèse décrit ici est consacrée au système de déclenchement du détecteur D0, qui constitue la première étape de toutes les analyses, et en particulier à l'identification des leptons taus au niveau 3 du système de déclenchement et aux déclenchements « jets+met » basés sur la présence de jets et d'énergie transverse manquante. La problématique de la résolution en énergie des jets est également abordée, sous l'angle de<br />l'intercalibration en eta du calorimètre hadronique et avec l'utilisation du détecteur de pied de gerbe central (CPS) dans la définition de l'énergie des jets. La section efficace de production de paires de quark top obtenue est :<br />sigma=7,32+1,34-1,24(stat)+1,20-1,06(syst)±0,45(lumi) pb<br />Cette mesure est en accord avec les prédictions du modèle standard et permet de contraindre la présence de nouvelle physique, telle que l'existence d'un boson de Higgs chargé plus léger que le quark top. Une limite d'exclusion a ainsi été obtenue dans le plan (tan beta, mH±) et est présentée dans la dernière partie de ce manuscrit.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la préparation Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la préparation du détecteur CMS auprès du futur collisionneur LHC au CERN dont la mise en service est prévue pour les années 2004-2005. Le travail est divisé en deux parties. La première comprend une étude générale sur l'identification des électrons de faible énergie en utilisant la très fine granularité et la très bonne résolution en énergie du calorimètre électromagnétique de CMS. L'efficacité de l'algorithme est de $\sim$ 60% et le facteur de réjection des hadrons est de $\sim$400. Les électrons ainsi identifiés peuvent être utilisés comme des particules d'étiquetage pour les mésons beaux ou pour reconstruire les décroissances inclusives $B^0_d -> J/\Psi(->e+e-) +X$. La réévaluation de la sensibilité aux angles $\alpha$ et $\beta$ du triangle CKM d'unitarité avec ces nouvelles possibilités et des fonctions de structure du proton récentes donne: $\delta$(sin 2$\alpha$) = 0.06$^{+0.018}_{-0.014} $ $\delta$(sin 2$\beta$) = 0.053$^{+0.017}_{-0.012}$ Ces résultats sont comparables avec ceux attendus par les expériences dédiées à la physique du B. La deuxième partie a consisté à développer un nouveau type de chambres gazeuses à micropistes (MGC) où les anodes sont séparées d'un plan cathode par une couche isolante de quelques microns. Cette géométrie permet une collection rapide des charges ($\sim$10ns), d'atteindre des gains supérieurs à 3000 et d'avoir une résolution en énergie de 20 % pour le pic d'une source de 55Fe.