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This thesis presents the investigation of magnetism in a selection of low-dimensional systems and its relation to other physical properties, such as superconductivity. The techniques employed are muon spin rotation and pulsed magnetic field magnetisation. The ability of muons to directly probe the local field is used to study SrFeAsF, which is a parent compound of the high-temperature superconducting pnictides. This revealed that the magnetic and structural transitions are separated in this system. I then demon- strate the coexistence of magnetism and superconductivity in NaFeAs for the first time. This discovery is of great interest since the interplay between magnetism and supercon- ductivity is thought to play an important role for high-temperature superconductivity. I further investigate the effect of partially replacing Fe with Co in NaFeAs. I study the ordering and spin reorientation in the Mott insulator Sr₂IrO₄, which has been suggested as a possible high-temperature superconductor. The complex magnetism observed in this system is contrasted to that in related iridates Ca₄IrO₆, Ca₅Ir₃O₁₂ and Sr₃Ir₂O₇. By combining pulsed-field magnetization and low magnetic field experiments with μSR on a series of coordination polymers. I am able to determine the size and direction of the magnetic exchange interaction. I demonstrate how it is possible to adjust the in- teractions by altering the molecular architecture of these Cu-based spin- 1 2 compounds. This is a significant contribution since it will lead to the targeted design of magnetic systems that can be utilized to experimentally test fundamental theories of magnetism.

La théorie de la chromodynamique quantique prédit l’existence d’un état déconfiné de la matière appelé Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Expérimentalement, la formation d’un PQG est attendue sous les conditions extrêmes de température et de densité atteintes lors de collisions d’ions lourds ultra-relativistes. Afin d’observer et de caractériser de manière indirecte un tel état de la matière, de nombreuses observables ont été proposées. En particulier, les phénomènes de suppression et de(re)combinaison du meson J/Ψ dans le PQG sont intensément étudiés. Cette thèse présente l’analyse de la production inclusive de J/Ψ dans les collisions Pb-Pb, à une énergie dans le centre de masse √sNN = 2,76 TeV, détectés avec le spectromètre à muons de l’expérience ALICE au LHC. A partir de la statistique élevée d’événements collectés lors de la prise de données de 2011, le facteur de modification nucléaire du J/Ψ a été mesuré en fonction de son impulsion transverse, de sa rapidité et de la centralité de la collision. L’impulsion transverse moyenne du J/Ψ a également été mesurée en fonction de la centralité. Les prédictions des modèles théoriques, incluant tous une contribution de (re)combinaison, présentent un bon accord avec les données. Enfin, un excès de J/Ψ de très faible impulsion transverse (<300 MeV/c) par rapport à la production hadronique attendue a été observé pour la première fois. / The quantum chromodynamics theory predicts the existence of a deconfined state of matter called Quark Gluon Plasma (QGP). Experimentally, the formation of a QGP is expected under the extreme conditions of temperature and density reached in ultra-relativisticheavy-ion collisions. Many observables were proposed to observe and characterize indirectly such a state of matter. In particular, the phenomena of suppression and (re)combination of the J/Ψ meson in the QGP are extensively studied. This thesis presents the analysis of the inclusive production of J/Ψ in Pb-Pb collisions, at a center of mass energy √sNN = 2.76 TeV, detected with the ALICE muon spectrometer at the LHC. From the high statistics of events collected during 2011 datataking, the J/Ψ nuclear modification factor was measured as a function of transverse momentum, rapidity and collision centrality. The J/Ψ mean transverse momentum was also measured as a function of centrality. The predictions of theoretical models, all including a (re)combination contribution, are in good agreement with data. Finally, an excess of J/Ψ yield at very low transverse momentum (<300 MeV/c) with respect to the expected hadronic production was observed fort he first time.

Orientador: Pedro Galli Mercadante / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2012

The first 900 four-anode Photomultiplier Tubes (PMTs) have been evaluated for use in the 2013 Hadronic Forward (HF) calorimeter upgrade. HF is a part of the Compact Muon Solenoid (CMS), which is one of the two large general-purpose particle detectors of the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva, Switzerland. HF requires 1728 PMTs. These small tubes are the sensitive light detectors that provide the output signals of HF. Before installing PMTs in HF, their quality control demands need to be satisfied. These tests, done at the University of Iowa, are designed in three categories to test seventeen different parameters for each PMT. The three most basic and most important groups of parameters are: dark current, gain (anode and cathode), and timing. There are secondary tests which are performed on a smaller percentage of the PMTs such as surface uniformity, double pulse and single photo-electron resolution. The PMTs that meet the specifications of HF will be sent to CERN where they are expected to be in use for at least a decade.

Vacuum polarization integral involves the vector spectral functions which can be experimentally determined. As the dominant uncertainty source to the integral, the precision measurement of the %born cross section of $e^+e^-\rightarrow\pi^+\pi^-(\gamma)$ as a function of energy from $2\pi$ threshold to 3GeV is performed by taking the ratio of $e^+e^-\rightarrow\pi^+\pi^-(\gamma)$ cross section to $e^+e^-\rightarrow\mu^+\mu^-(\gamma)$ cross section which are both measured with {\babar\ }data using ISR method in one analysis. Besides that taking the ratio of the cross sections of the two processes can cancel several systematic uncertainties, the acceptance differences between data and MC are measured using the same data, and the corresponding corrections are applied on the efficiencies predicted by MC which can control the uncertainties. The achieved final uncertainty of the born cross section of $e^+e^-\rightarrow\pi^+\pi^-(\gamma)$ in $\rho$ mass region ($0.6\sim0.9$GeV) is 0.54\%. As a consequence of the new vacuum polarization calculation using the new precision result of the $e^+e^-\rightarrow\pi^+\pi^-(\gamma)$ cross section, the impact on the SM prediction of muon anomalous magnetic moment $g-2$ is presented, which is also compared with other data based predictions and direct measurement.

Dans ce travail de thèse, nous présentons quatre expériences, portant soit sur l'étude d'ions lourds hydrogenoïdes ou héliumoïdes, soit sur celle d'atomes exotiques, et qui se sont déroulées au Gesellschaft für Scherionenforchung (GSI) et à l'Institut Paul Scherrer (PSI).<br /><br />Dans la première partie de ce manuscrit, nous décrivons, tout d'abord, un spectromètre à cristal courbe et en transmission, couplé à un détecteur germanium sensible en position. Cet ensemble, dédié à la mesure de l'énergie de photons X entre 50 et 100 keV et qui est destiné à être monté sur l'accélérateur du GSI, nous permettra, dans les années avenirs, de gagner un ordre de grandeur sur la précision de la mesure du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'uranium hydrogénoïde, afin de tester la QED en champ coulombien fort. Ensuite, nous détaillons une expérience qui nous permettra de donner bientôt une nouvelle valeur de la masse du pion chargé avec une incertitude relative de 1 ppm. Elle est basée sur une spectroscopie X de l'azote pionique, effectuée au PSI. Pour celle-ci nous utilisons un montage composé d'une trappe anticyclotronique, d'un spectromètre de Bragg en réflexion, possédant un cristal sphérique et d'un détecteur CCD refroidit. Ce dispositif permet également de tester la QCD et la théorie des perturbations chirales, par une mesure des transitions radiatives de l'hydrogène pionique.<br /><br />La seconde partie est consacrée à une description d'une mesure la durée de vie d'un niveau métastable de l'or héliumoïde, grâce à une expérience de temps de vol, qui se déroule au GSI. Nous donnons, pour la toute première fois pour un Z si élevé, une valeur précise de cette durée de vie, qui constitue un test important de la théorie relativiste à n-corps.

L'expérience CMS (Compact Muon Solenoid), construite sur l'anneau du LHC (Large Hadron Collider), enregistre des données provenant des collisions proton-proton depuis 2 ans. L'alignement entre toutes les couches du trajectographe, sous-détecteur de CMS permettant la reconstruction et la mesure de l'impulstion des particules chargées, est effectué à l'aide de traces de particules créées lors de la collision et des traces créées par le passage de muons d'origine cosmique à travers ce détecteur. La première partie de ce livre sera dédiée à la reconstruction des traces de ces muons lors des collisions. Une nouvelle méthode, appelée reconstruction cosmique régionale, a été développée et mise en place. L'efficacité de 69% et le taux de faux de l'ordre de 1% permettent l'utilisation de ces traces pour l'alignement. La deuxième partie, portant sur l'analyse des données de collision, s'intéressera à la recherche de particules prédites par un modèle d'extension du Modèle Standard, la Supersymétrie, dans un scénario particulier, le scénario du Stop Léger. Dans le cas d'un fort mélange dans la troisième génération de squarks, le stop, partenaire supersymétrique du quark top, peut être léger. Dans l'analyse effectuée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au cas au mstop < mtop. Dans le MSSM avec conservation de la R-parité, le gluino serait formé par paire et se désintégrerait en un squark stop et un quark top. Le stop se désintégrerait quant-à-lui en un quark c et un neutralino, particule supersymétrique la plus légère du modèle, stable et interagissant faiblement. Aucun excès par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été relevé en utilisant les 40pb-1 de données enregistrées par CMS en 2010. Les limites obtenues à 95% de niveau de confiance permettent d'exclure des masses de stop jusqu'à 175 GeV pour des masses de gluinos allant jusqu'à 350 GeV et des faibles différences de masses entre le stop et le neutralino.

By allowing to measure the magnetic field distribution inside a material, muon spin rotation experiments have the potential to provide valuable information about microscopic properties of high-temperature superconductors. Nevertheless, information about the intrinsic superconducting properties of the material is masked by random thermal and static fluctuations of the magnetic field which penetrates the material in the form of vortices of quantized magnetic flux. A good understanding of the fluctuations of those vortices is needed for the correct determination of intrinsic properties, notably the coherence length &xi;, and the field penetration depth &lambda;. We develop a simulation based on the Metropolis algorithm in order to understand the effect, on the magnetic field distribution, of disorder- and thermally-induced fluctuations of the vortex lattice inside a layered superconductor. <br /><br /> Our model correctly predicts the melting temperatures of the YBa₂Cu₃O_{6. 95} (YBCO) superconductor but largely underestimates the observed entropy jump. Also we failed to simulate the high field disordered phase, possibly because of a finite size limitation. In addition, we found our model unable to describe the first-order transition observed in the highly anisotropic Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+<em>y</em>. <br /><br /> Our model predicts that for YBCO, the effect of thermal fluctuations on the field distribution is indistinguishable from a change in &xi;. It also confirms the usual assumption that the effect of static fluctuations at low temperature can be efficiently modeled by convolution of the field distribution with a Gaussian function. However the extraction of &xi; at low fields requires a very high resolution of the field distribution because of the low vortex density.

By allowing to measure the magnetic field distribution inside a material, muon spin rotation experiments have the potential to provide valuable information about microscopic properties of high-temperature superconductors. Nevertheless, information about the intrinsic superconducting properties of the material is masked by random thermal and static fluctuations of the magnetic field which penetrates the material in the form of vortices of quantized magnetic flux. A good understanding of the fluctuations of those vortices is needed for the correct determination of intrinsic properties, notably the coherence length &xi;, and the field penetration depth &lambda;. We develop a simulation based on the Metropolis algorithm in order to understand the effect, on the magnetic field distribution, of disorder- and thermally-induced fluctuations of the vortex lattice inside a layered superconductor. <br /><br /> Our model correctly predicts the melting temperatures of the YBa₂Cu₃O_{6. 95} (YBCO) superconductor but largely underestimates the observed entropy jump. Also we failed to simulate the high field disordered phase, possibly because of a finite size limitation. In addition, we found our model unable to describe the first-order transition observed in the highly anisotropic Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+<em>y</em>. <br /><br /> Our model predicts that for YBCO, the effect of thermal fluctuations on the field distribution is indistinguishable from a change in &xi;. It also confirms the usual assumption that the effect of static fluctuations at low temperature can be efficiently modeled by convolution of the field distribution with a Gaussian function. However the extraction of &xi; at low fields requires a very high resolution of the field distribution because of the low vortex density.