Depuis plus d’un siècle, les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (RCUHE), ayant une énergie supérieure à 1018 eV, continuent d’entretenir le mystère : Quelle est leur composition ? D’où viennent-ils ? Comment atteignent-ils de telles énergies ? Ces particules chargées, suffisamment énergétiques pour atteindre la Terre, forment des gerbes de particules secondaires via leurs interactions avec l’atmosphère dont le développement est caractéristique de la nature de la particule primaire. L’observatoire Pierre Auger, avec sa structure hybride et son gigantesque réseau de détecteurs peuvent apporter des réponses. L’étude de la composition des RCUHEs a été étudiée avec le réseau de surface de l’observatoire Pierre Auger. Cette dernière est cruciale à la fois pour comprendre les interactions hadroniques, qui constituent le développement des gerbes, et pour identifier leurs sources. Cela peut également aider à comprendre l’origine de la coupure spectrale aux plus hautes énergies : s’agit-il de la coupure GZK ou à l’extinction des sources. Toutes ces raisons motivent la première partie de la thèse, à savoir la mise en place d’une méthode permettant d’extraire la composante muonique des gerbes atmosphériques et d’en déduire la composition. Les résultats de cette méthode montrent une dépendance de la composition avec la distance à l’axe de la gerbe, qui pourrait aider à améliorer les modèles hadroniques. Dans les conditions actuelles du réseau de surface, l’identification de la composante muonique présente des limites.La seconde partie est consacrée au nouvel observatoire en Chine, LHAASO. Ce projet s’intéresse à l’étude des gammas supérieurs à 30 TeV, qui signeraient l’accélération de proton dans la galaxie, donnant ainsi des informations indirectes sur les rayons cosmiques. D’autre part, l’observatoire vise à étudier les rayons cosmiques entre 10 TeV et 1 EeV, région où le spectre en énergie présente une rupture. Cette région nécessite de pouvoir discriminer les gammas des rayons cosmiques. A ce titre, l’un des détecteurs de LHAASO, le KM2A, a été simulé et son pouvoir de discrimination gamma/hadron évalué. / During the past century, ultra-high-energy cosmic rays (UHECR), those with an energy larger than 1018 eV, remain as a mystery: What are cosmic rays? Where do they come from? How do they attain their huge energy? When these charged particles strike the earth's atmosphere, they dissipate their energy by generating a shower of secondary particles whose development is significantly different depending on the nature of the primaries. The Pierre Auger observatory, with its hybrid structure and huge size network of ground detectors, can shed some light into these questions.The study of the composition of UHECR was performed with the Pierre Auger apparatus. This is crucial both to understand the hadronic interactions, which govern the evolution of showers, and to identify their sources. It can help to understand the origin of the energy spectrum cut-off: is it the GZK cut-off or the exhaustion of sources? These reasons motivate the first part of this thesis: the development of a method to extract the muonic component of air showers and deduce the implications on the composition of UHECR at the Pierre Auger observatory. The results of this method show a dependence of the composition with the distance to the axis of the shower, which could help to improve the hadronic models. The determination of the muon component is limited by the surface detector setup.The second part is devoted to the new observatory in China, LHAASO. This project focuses on the study of gamma rays with an energy higher than 30 TeV, which probe the acceleration of protons in the galaxy, providing indirect information on cosmic rays. Moreover, the observatory studies cosmic rays between 10 TeV and 1 EeV, one of the regions where the energy spectrum presents a break. This region requires the ability to discriminate gamma rays and cosmic rays. For this reason, one of the detectors of LHAASO, the KM2A, was simulated and its power of discrimination gamma/hadron evaluated.

Dans le Modèle Standard de la physiques des particules, le boson de Higgs permet de générer la masse des particules élémentaires. Les contraintes théoriques et expérimentales actuels imposent au boson de Higgs d'avoir une masse comprise entre 114.4 et 158 GeV à 95% de niveau de confiance. De plus, le Tevatron a récemment exclu la zone de masse entre 100 et 109 GeV, 158 et 175 GeV à 95% de niveau de confiance. Ces résultats confortent la recherche du boson de Higgs à basse masse dans la fenêtre encore ouverte. Le détecteur DØ est situé près de Chicago, au Tevatron, collisionneur protons-antiprotons avec une énergie dans le centre de masse de 1.96 TeV. Le sujet de cette thèse est la recherche du boson de Higgs produit en association avec un boson Z. C'est un canal sensible au boson de Higgs de basse masse (<135 GeV) qui a un rapport de branchement H->bb de l'ordre de 80% dans cette région en masse. Le canal d'étude ZH->nu nu bb a un état final composé de 2 jets de saveurs lourdes et de l'énergie transverse manquante emportée par les neutrinos. L'identification des jets de saveur lourde ("b-tagging") est réalisée à l'aide d'un nouvel algorithme que l'on a développé (SLTNN) : la méthode est basée sur la désintégration semi-leptonique des quarks b. L'analyse de recherche du boson de Higgs a été menée avec 3 fb−1 de données. L'utilisation de SLTNN a permis d'améliorer de 10% l'efficacité d'identification de boson de Higgs. En revanche, la sensibilté globale de l'analyse, une fois les bruits de fond et erreurs systématiques prises en compte, est très peu améliorée (<1%).

Astrophysical observations give convincing evidence for a vast non-baryonic component, the so-called dark matter, accounting for over 20% of the overall content of our Universe. Direct dark matter search experiments explore the possibility of interactions of these dark matter particles with ordinary baryonic matter via elastic scattering resulting in single nuclear recoils. The ZEPLIN-III detector operated on the basis of a dualphase (liquid/gas) xenon target, recording events in two separate response channels { scintillation and ionisation. These allow discrimination between electron recoils (from background radiation) and the signal expected from Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) elastic scatters. Following a productive first exposure, the detector was upgraded with a new array of ultra-low background photomultiplier tubes, reducing the electron recoil background by over an order of magnitude. A second major upgrade to the detector was the incorporation of a tonne-scale active veto detector system, surrounding the WIMP target. Calibration and science data taken in coincidence with ZEPLIN-III showed rejection of up to 30% of the dominant electron recoil background and over 60% of neutron induced nuclear recoils. Data taking for the second science run finished in May 2011 with a total accrued raw fiducial exposure of 1,344 kg days. With this extensive data set, from over 300 days of run time, a limit on the spin-independent WIMP-nucleon cross-section of 4.8 10-8 pb near 50 GeV/c2 WIMP mass with 90% confidence was set. This result combined with the first science run of ZEPLIN-III excludes the scalar cross-section above 3.9 10-8 pb. Studying the background data taken by the veto detector allowed a calculation of the neutron yield induced by high energy cosmic-ray muons in lead of (5.8 0.2) 10-3 neutrons/muon/(g/cm2) for a mean muon energy of 260 GeV. Measurements of this kind are of great importance for large scale direct dark matter search experiments and future rare event searches in general. Finally, this work includes a comprehensive measurement of the energy dependent quenching factor for low energy nuclear recoils in a plastic scintillator, such as from the ZEPLIN-III veto detector, increasing accuracy for future simulation packages featuring large scale plastic scintillator detector systems.

ALICE est dédié à l'étude d'un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans les hadrons, qui est appelé Quark Gluon Plasma (QGP). La production de bottomonia (états liés beauté antibeauté) est sensible au QGP parce-que les états du bottomonium sont formés avant la formation du QGP et traversent le plasma pendant son évolution. L'objectif principal de cette thèse est la mesure des modification des mésons Upsilon dans le canal de désintégration en deux muons en collisions Pb-Pb à √SNN = 5.02 TeV. En outre, un nouveau framework pour l'analyse des performances des détecteurs utilisés pour l'identification des muons a été réalisé et utilisé pour l'analyse des données du RUN1 et RUN2 du LHC. Enfin, et avec l’objectif d’optimiser des résultats de l’analyse, un nouvel algorithme d’identification de muons a été développé. Cet algorithme deviendra nécessaire pour faire face aux nouvelles conditions de prise de données du RUN3, pendant lequel une reconstitution quasi-en ligne du détecteur est prévue. / ALICE is devoted to the study of a deconfined state of nuclear matter called Quark Gluon Plasma (QGP), in which quarks and gluons behave as free particles. The bottomonium (bound states of beauty-anti beauty quark) production is affected by the presence of the QGP, since bottomonium states are produced sooner than the QGP and witness the whole evolution of the plasma. In this analysis the data coming from Pb-Pb collisions have been analysed in order to detect possible modifications of the production rates in the dimuon decay channel, with respect to the rates observed in proton-proton collisions. Furthermore, the performances of the detectors involved in the muon identification during the LHC RUN1 and RUN2 has been tested using a new analysis framework implemented as part of this thesis. Finally, in order to optimize the results of future analyses, a new muon identification algorithm has been developed and tested. This algorithm will become necessary in the LHC RUN3 running conditions, when the much higher luminosity will require a quasi online reconstruction of data.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2014-08-15T15:17:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertacao Michelle M de Medeiros.pdf: 2738633 bytes, checksum: e1e98c1ee5ac88193602d29a282e5c6b (MD5) / Made available in DSpace on 2014-08-15T15:17:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertacao Michelle M de Medeiros.pdf: 2738633 bytes, checksum: e1e98c1ee5ac88193602d29a282e5c6b (MD5) Previous issue date: 2011-09-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Celestial objects / Objetos celestes como a Lua e o Sol bloqueiam os raios cósmicos que vem de suas direções para a Terra, produzindo um défcit chamado de sombra. A medida deste défcit possibilita a determinação da resolução angular e do alinhamento de detectores de raios cósmicos, o estudo dos campos magnéticos terrestre, solar e interplanetário e a determinação da razão antipróton/próton na escala de energia TeV. Vários experimentos já observaram a sombra de raios cósmicos da Lua e/ou do Sol com o objetivo de calibrar seus detectores. Descrevemos neste trabalho o experimento MINOS e seus resultados da sombra da Lua e do Sol. Simulamos a sombra da Lua levando em conta seu movimento no céu e, para tanto, de nimos e testamos métodos de simulação e diferentes composições para os raios cósmicos. Também avaliamos várias proporções para antiprótons no fluxo de raios cósmicos a m de comparar com os resultados do experimento MINOS e conjecturar uma possível razão p=p para os dados observados. Ambos os métodos que de nimos, método do dé cit e da fonte de raios cósmicos, permitiram uma análise qualitativa da sombra. No entanto, só foi possível realizar uma análise quantitativa na simulação tendo a Lua como um défcit. Dessa forma, adotamos este método para as simulações subsequentes. Notamos algumas diferenças para as sombras obtidas usando próton e núcleo de hélio como partículas primárias de raios cósmicos. Todavia, a sombra encontrada combinando prótons (90%) e núcleos de hélio (10%) foi semelhante à sombra obtida apenas para prótons. Na simulação incluindo o movimento da Lua, avaliamos os efeitos do campo geomagnético na partícula primária, desde a Lua até a atmosfera terrestre, e nos múons (partícula secundária) desde sua produção até o nível do mar. Como esperado, obtivemos uma sombra da Lua mais similar com os resultados do experimento MINOS ao incluir a de exão tanto das partículas primárias dos raios cósmicos quanto das partículas do chuveiro do que considerando apenas o desvio destas últimas. Nossa simulação foi capaz de reproduzir a sombra provocada pela Lua com a localização do maior dé cit comparável àquela encontrada pelo experimento MINOS. Entretanto, ainda acrescentamos núcleos de hélio e antiprótons na simulação incluindo o movimento da Lua com o objetivo de melhorar o resultado. Obtivemos um défcit localizado o mais próximo possível do obtido pelo experimento MINOS usando a proporção p=p = 0;45. Tal resultado deve ser melhor estudado e a simulação aprimorada para que se determine esta razão entre antiprótons e prótons com a precisão adequada.

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.

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.

A travers des collisions, il est possible de reproduire un Plasma de Quarks et de Gluons. Dans ce cadre, le détecteur ALICE installé auprès du collisionneur LHC (CERN) est optimisé pour étudier la transition vers cet état hypothétique de la matière. Il est équipé d'un spectromètre mesurant les sondes muoniques (quarkonia, saveurs lourdes...). La première partie de cette thèse présente la méthode calculant l'efficacité du système de trajectographie de ce spectromètre. Les résultats, obtenus par simulation, sont replacés dans le contexte du calcul global d'efficacité. Ceux-ci montrent l'évolution de l'efficacité en fonction des défaillances électroniques probables. Ils établissent que le bon fonctionnement du détecteur implique moins de 90% de canaux défaillants et 85% de cartes dites MANU défaillantes. La deuxième partie présente la mise en place de la méthode dite « Distance Closest Approach », permettant l'identification des muons provenant de particules charmées ou belles. Pour des impulsions transverses pt < 4 GeV/c, la détermination de la contribution des saveurs lourdes (du charme en particulier) au spectre des muons simples impose qu'une soustraction de la décroissance de pions et de kaons soit effectuée. Cette discrimination n'est pas possible trace par trace, le développement d'une méthode alternative de soustraction des hadrons légers a été introduite. La méthode de DCA utilise la distance entre les traces extrapolées dans le plan transverse au vertex primaire et ce vertex. La différence de forme entre les distributions en DCA du signal et du bruit provenant des différentes longueurs de décroissances, liées aux types des particules, autorisera une meilleure séparation permettant ainsi de remonter aux sections efficaces de production du charme et de la beauté.

La QCD sur réseau prédit la transition d'une phase hadronique vers le Plasma de Quarks et Gluons (PQG) pour des températures au-dessus de 10^{13} K. Pour le recréer en laboratoire, des collisions d'ions lourds ont été proposées. Dans cette optique, le LHC produira des collisions Pb-Pb à 5.5 TeV/u, qui seront étudiées notamment auprès de l'expérience ALICE. En particulier, son spectromètre à muons permettra d'examiner les sondes muoniques (quarkonia, beauté ouverte, ...). Les performances attendues de ce dispositif pour mesurer des muons et des dimuons sont ici discutées. Des techniques de factorisation sont employées pour différencier les contributions à l'efficacité globale. Les résultats indiquent que le détecteur devrait être capable de mesurer des muons jusqu'à pt~100 GeV/c avec une résolution proche de 10%. On montre que la production des bosons faibles pourra être mesurée pour la première fois dans des collisions d'ions lourds. Les distributions de muons simples en pt et de la masse invariante des dimuons sonderont le W et le Z. Comme les muons issus des décroissances de quarks b et c peupleront principalement le domaine intermédiare en pt de 5-25 GeV/c, les calculs de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu indiquent que le spectre devrait être supprimé d'un facteur 2-4 dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV. Néanmoins, pour pt > 35 GeV/c la production des bosons faibles predomine, et aucune suppression n'est attendue. Des estimations indiquent que le point de croisement entre des muons issus de b et de W diminuera en pt de 5 à 7 GeV/c dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV.

La production hadronique des Quarkonia est un puzzle de longue date, qui teste la capacité des physiciens des particules à décrire les interactions de couleur. Même si la structure de la chromodynamique quantique (QCD) est bien définie et inspirée par l'électrodynamique quantique (QED), les différences par rapport à cette dernière rendent très difficile la description théorique des propriétés des hadrons.Un grand nombre de modèles et de théories effectives des champs ont été proposés pour décrire la production de quarkonia lourds, mais aucune n'a réussi à prédire, de façon fiable, différentes observables. En particulier, la QCD non relativiste (NRQCD) est arrivée à décrire les sections efficaces des quarkonia au Tevatron, mais a failli pour la prédiction du degré de polarisation du J/psi. Par contre, le modèle singulet de couleur (CSM: Color Singlet Model) présentait des résultats légèrement meilleurs du coté de la polarisation mais avait des problèmes avec la normalisation et la forme des sections efficaces différentielles.Le démarrage du LHC au CERN est une excellente opportunité expérimentale pour résoudre ces problèmes. En effet le saut en énergie, par rapport au Tevatron, permet d'avoir des sections efficaces de quarks lourds bien plus élevées que dans le passé, de plus les performances excellentes des expériences LHC nous permettent de procéder à des analyses difficiles.ALICE est l'expérience du LHC dédiée à l'étude de la matière dense et chaude produite dans les collisions d'ions lourds ultra-relativistes : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Pendant les deux premières années de prises de données, elle a montré des performances excellentes pour la détection des J/psi, aussi bien en collisions PbPb qu'en collisions pp.Dans cette thèse est présenté la mesure de la polarisation de J/psi inclusif, produits dans les collisions pp à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. L'analyse a été effectuée sur presque 80% de la statistique recueillie par le spectromètre à muons d'ALICE en 2010. Elle a été basée sur l'extraction de la distribution angulaire des muons provenant de la désintégration du J/psi.Les résultats obtenus par cette étude représentent la première mesure de la polarisation des quarkonia au LHC et offrent la possibilité de tester les modèles théoriques dans un régime d'énergie plus de trois fois supérieur à celui du Tevatron.Une première comparaison avec les derniers calculs théoriques est également présentée dans cette thèse.