Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d’énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd’ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl’expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d’un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield’interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d’appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d’aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l’interaction forte, aux énergies très élevées du LHC. / Quarkonia are meson states whose constituents are a charm or bottom quark and its correspondingantiquark (Q¯Q). The study of the production of such bound states in high-energy hadron collisionsrepresents an important test for the Quantum Chromo-Dynamics. Despite the fact that the quarkoniumsaga has already a 40-year history, the quarkonium production mechanism is still an open issue.Therefore, measurements at the new CERN Large Hadron Collider (LHC) energy regimes are extremelyinteresting.In this thesis, the study of inclusive J/ψ production in proton-proton (pp) collisions at √s = 2.76and 7 TeV, obtained with the ALICE experiment, is presented. J/ψ mesons are measured at forwardrapidity (2.5 < y < 4), down to zero pT, via their decay into muon pairs (μ+μ−).Quarkonium resonances also play an important role in probing the properties of the stronglyinteracting hadronic matter created, at high energy densities, in heavy-ion collisions. Under suchextreme conditions, the created system, according to QCD, undergoes a phase transition from ordinaryhadronic matter to a new state of deconfined quarks and gluons, called Quark Gluon Plasma(QGP). The ALICE experiment at CERN LHC has been specifically designed to study this state ofmatter. Quarkonia, among other probes, represents one of the most promising tools to prove the QGPformation. In order to correctly interpret the measurements of quarkonium production in heavy-ioncollisions, a solid baseline is provided by the analogous results obtained in pp collisions.Hence, the work discussed in this thesis, concerning the inclusive J/ψ production in pp collisions,also provides the necessary reference for the corresponding measurements performed in Pb-Pb collisionswhich were collected, by the ALICE experiment, at the very same center-of-mass energy pernucleon pair (√sNN = 2.76 TeV).

La production des états charmonia (par exemple le J/ψ et le ψ(2S)) est l’une des sondes étudiées pour comprendre les propriétés du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) formé dans les collisions d’ions lourds à très haute énergie. En effet, la présence d’un milieu déconfiné est susceptible de modifier le taux de production des charmonia par effet d’écrantage de couleur de la paire de quarks charme-anti-charme. Une telle suppression fut déjà observée dans les collisions d’ions lourds aux énergies du SPS et du RHIC. Dans les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV au LHC, une suppression relative du taux de production du J/ψ par rapport à celui mesuré dans les collisions pp normalisé aux nombres de collisions binaires proton-proton (facteur de modification nucléaire RAA) fut aussi mesurée. Cette suppression est cependant moins importante que ce qui fut observé à plus petites énergies dans le centre de masse. Ceci peut s’expliquer par la présence d’un nouveau mécanisme de production, la recombinaison de quarks charme et anticharme déconfinés au moment de l’expansion hydrodynamique du PQG ou durant la phase d’hadronisation. Dans cette thèse, nous présentons les résultats de la production de J/ψ dans les collisions pp et Pb-Pb, mesurée par le détecteur ALICE à √sNN = 5.02 TeV à rapidité avant dans le canal de décroissance dimuonique. La section efficace de production mesurée dans les collisions pp est comparée à différents modèles théoriques et est utilisée pour calculer le RAA en collisions Pb-Pb, lui-même comparé à différentes prédictions théoriques ainsi qu’aux précédentes mesures. / The production of charmonium states (for instance J/ψ and ψ(2S)) is one of the probes studied to investigate the properties of the Quark-Gluon Plasma (QGP) formed in high-energy heavy-ion collisions. Indeed, the presence of a deconfined medium should modify the charmonium production yield, due to the color screening of the charm quark anti-quark potential. Such a suppression was already observed in heavy-ion collisions at SPS and RHIC energies. In Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV at the LHC, a clear suppression of the J/ψ yield with respect to the one measured in binary-scaled pp collisions (nuclear modification factor RAA) was observed, but much smaller than that at lower collision energies. This observation can be explained by the presence of a new production mechanism, the (re)combination of deconfined charm and anti-charm quarks during the hydrodynamical expansion of the QGP or at the hadronization stage. In this thesis, we report on the results of the J/ψ production in pp and Pb-Pb collisions measured with the ALICE detector √sNN = 5.02 TeV at forward rapidity in the dimuon channel. The cross-section in pp collisions is compared to various model calculations, and is used to compute the RAA in Pb-Pb collisions, which is also compared to theoretical predictions as well as to previous measurements.

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. / Quarkonium hadroproduction is a long standing puzzle which tests the ability of particle physicists to describe colour interactions. Even if the structure of quantum chromodynamics (QCD) is well established and inspired to quantum electrodynamics (QED), its differences with respect to the latter make the theoretical description of hadron properties very difficult.Many models and effective field theories have been proposed in order to describe heavy quarkonia production, but none of them have been able to predict different observables in a reliable way. In particular, nonrelativistic QCD (NRQCD) succeeded in describing quarkonia cross sections at the Tevatron, but failed in predicting the degree of polarization of the J/psi. On the other hand, the color-singlet model (CSM) had slightly better results from the polarization side, but had problems with the magnitude and differential shapes of the cross sections.The startup of the LHC at CERN provides a very important experimental opportunity in solving these problems. Indeed, the big jump in energy with respect to Tevatron leads to much higher heavy-quarks cross sections than in the past and, moreover, the very good performances of the LHC experiments allow to perform delicate analysis.ALICE is the LHC experiment dedicated to the study of the dense and hot matter produce in ultrarelativistic heavy ions collisions: the quark gluon plasma (QGP). During the first two years of data taking it showed very good performance in the detection of J/psi, both in PbPb and pp collisions.In this thesis, the polarization measurement of J/psi inclusively produced in pp collisions at a center of mass energy of 7 TeV is presented. The analysis was performed on almost 80% of the statistics collected by the ALICE forward muon spectrometer during 2010. It was based on the extraction of the angular distribution of the muons coming from the J/psi decay. The results obtained with this study represent the first measurement of quarkonia polarization at the LHC and they offer the possibility to test the theoretical models in a more than three times higher energy regime with respect to Tevatron. A first comparison with recent theoretical calculations is also presented in this document.

La chromodynamique quantique (QCD) prédit l'existence d'un nouvel état de la matière : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Celui-ci aurait existé dans les premiers instants suivant le Big Bang et peut en principe être produit sous les conditions extrêmes de température et de densité atteintes lors de collisions d'ions lourds à haute énergie (au LHC par exemple). Un des marqueurs de sa présence est la suppression des quarkonia (états liés de quark/antiquark lourds), caractérisée par une production inférieure de ces états dans les collisions d'ions lourds relativement aux collisions proton-proton où le PQG ne pourrait être créé. Cette suppression a bien été observée expérimentalement, mais l'évolution de ses tendances aux énergies du RHIC et du LHC est un véritable défi qui requiert une meilleure compréhension théorique. La présente thèse a pour but d’étudier l’évolution en temps réel de paires corrélées de quark/antiquark lourds considérées comme des systèmes quantiques ouverts en interaction permanente avec un PQG en refroidissement. Explicitement, l'interaction continue entre le milieu et les degrés de liberté internes de la paire est obtenue par 1) un écrantage de couleur dit « de Debye » dû à la présence de charges de couleur dans leur voisinage et 2) des mécanismes de fluctuation/dissipation qui reflètent les collisions permanentes. Cela mène à une image dynamique et continue de la dissociation des quarkonia, de leur recombinaison et des transitions entre états liés. L'étude est transversale à différents cadres théoriques : semi-classique, quantique et quantique des champs. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux et aux résultats d'autres modèles théoriques. / The theory of quantum chromodynamics (QCD) predicts the existence of a new state of matter: the Quark-GluonPlasma (QGP). The latter may have existed at the first moments of the Universe following the Big Bang and can be, in theory, re-produced under the extreme conditions of temperature and density reached in high energy heavy ion collisions (at the LHC for instance). One of the QGP observables is the suppression of the quarkonia (heavy quark/antiquark bound states), characterised by a smaller production of these states in heavy ion collisions in comparison to proton-protoncollisions, in which no QGP production would be possible. This suppression has indeed been observed experimentally, but the puzzling evolution of its trend from RHIC to LHC energies requires a better theoretical understanding. The present thesis aims at studying the real-time evolution of correlated heavy quark/antiquark pairs described as open quantum systems which permanently interact with a cooling QGP. More explicitly, the continuous interaction between the medium and the pair internal degrees of freedom is obtained through 1) a temperature dependent color screening (“Debye” like) due to color charges in the irvicinity and 2) some fluctuation/dissipation mechanisms reflecting the continuous collisions. It leads to a dynamical and continuous picture of the dissociation, recombination and possible transitions to other bound states. This investigation is at the crossroads of different theoretical frameworks: semi-classic, quantum and quantum fields. The deduced predictions are compared to experimental data and to the results of other theoretical models.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d'énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl'expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d'un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield'interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d'appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d'aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l'interaction forte, aux énergies très élevées du LHC.

Conventional Heavy Quarkonium systems, Charmonium and Bottomonium, are believed to be composed of a heavy quark and anti-quark pair. These systems are investigated by dierent methods resulting from dierent approaches to Quantum Chromodynamics (QCD), such as Lattice QCD, Eective Theories and Sum Rules. In this thesis we study the spectrum of Charmonium and Bottomonium using a non-relativistic Quark Model. Assuming one gluon exchange for the short distances and a linear confining potential for long distances we derive Breit-Fermi interaction Hamiltonian and calculate the spectra arising from this Hamiltonian. Also we calculate the partial widths of E1 and M1 radiative decays.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes représentent le seul moyen pour appréhender en laboratoire le diagramme de phase de la QCD, la théorie de l'interaction forte. Les prédictions théoriques les plus récentes, obtenues par la technique de calcul sur réseau, prévoient une transition de phase entre la matière nucléaire froide (un gaz hadronique) et un plasma de quarks et de gluons (milieu déconfiné). Parmi les différentes sondes expérimentales possibles, l'intérêt des saveurs lourdes est en principe de pouvoir caractériser le milieu produit lors d'une collision entre ions lourds, mais également de pouvoir obtenir des informations sur son évolution spatio-temporelle. Leur étude peut se faire entre autres par le biais de leur canal de désintégration en muons. Cette Habilitation à Diriger des s développe dans une première partie la problématique des collisions d'ions lourds ultra-relativistes, en mettant l'accent sur l'étude des saveurs lourdes. Dans une deuxième partie, les résultats obtenus auprès du collisionneur RHIC (BNL, New York) sont passés en revus, et l'analyse du spectre en masse des dimuons menée au sein de l'expérience PHENIX est détaillée. Enfin, la troisième partie décrit d'une part les développements instrumentaux réalisés pour le système de déclenchement des muons dans l'expérience ALICE auprès du LHC (CERN, Genève), et d'autre part les performances attendues pour l'étude des dimuons.

BABAR is a particle physics experiment at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). The purpose of BABAR is to study matter-antimatter asymmetry in the bottom quark system. At SLAC, electons and positrons collide, which annihilate and decay into a variety of daughters. An Upsilon(4S) meson is one of the possible daughters. An Upsilon(4S) decays into a B meson and an anti-B meson more than 96% of the time. A B meson has an anti-bottom quark and an anti-B meson has a bottom quark. The purpose of this thesis is to measure how many Upsilon(1S) originated from Upsilon(4S) in the entire BABAR data set. This thesis compares on-peak data and off-peak data. On-peak data was taken at center of mass energy 10.58GeV. One of the possible interactions is e+e− -> Upsilon(4S) since the mass of Upsilon(4S) is 10.58GeV/c^2. On-peak data, taken at center of mass energy 10.54GeV, is not enough to have any BB pairs because 10.54GeV is less than the mass of an Upsilon(4S). This thesis can be useful for BABAR physicist because it helps set an upper limit on how many BB pairs there are in the entire BABAR data set. In other words, it sets an upper limit on how much more than 96% does Upsilon(4S) decay to BB. Measurement of the decay of Upsilon(4S) -> Upsilon(1S) + X give evidence for non-BB decays of the Upsilon(4S). The final results of this study show that there were (110 +- 3) × 10^5 Upsilon(1S) on-peak, of which (10 +- 9) × 10^5 originated from an Upsilon(4S). Increasing the centre of mass energy from 10.54GeV to 10.58GeV increases the Upsilon(1S) production by (10 +- 8)%.

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.

L’expérience ALICE a pour principal objectif l’étude et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Les quarkonia constituent l’une des plus intéressantes sondes (des états liés d’un quark lourd Q et de son anti-quark Q) du QGP. De plus, l’étude de la production des quarkonia est très intéressante puisqu’elle peut contribuer à une meilleure compréhension de la Chromodynamique Quantique, la théorie décrivant l’interaction forte. La formation d’états de quarkonia lors de collisions hadroniques n’est pas bien comprise. Les deux principales approches théoriques décrivant la production d’états de quarkonia, le ‘Color Singlet Model’ (CSM) et la QCD non-relativiste (NRQCD), ont montré des difficultés à décrire simultanément la section efficace de production et la polarisation de tels états. Expérimentalement, les mesures de la polarisation des quarkonia n’ont pas toujours été compatibles entre elles. Ainsi, que ce soit du point de vue expérimental ou théorique, l’étude des quarkonia est restée inachevée. De nouvelles méthodes récemment proposées ont souligné la nécessité de mesurer tous les paramètres de la polarisation, dans les différents systèmes de référence. Dans ce contexte, de nouvelles mesures peuvent améliorer les contraintes actuelles, voire apporter de nouvelles contraintes sur les prédictions. ALICE a mesuré la polarisation du J/ψ lors de collisions pp à √8 = 7 TeV. La plus grande statistique des données à 8 TeV par rapport aux données à 7 TeV permet d’étendre les mesures à une gamme de pT plus large. Cette thèse présente une mesure complète de la polarisation de J/ψ, i.e. les trois paramètres de polarisation, dans deux systèmes de référence différents: le système Collins-Soper et le système d’hélicité. Les résultats ne montrent aucune polarisation significative pour le J/ψ dans le domaine cinématique étudié : 2.5 < y < 4.0 et 2 < pT < 15 GeV/c. Le paramètre invariant λ a également été mesuré afin d’écarter le risque d’un biais dans la procédure d’analyse. La comparaison de ces résultats avec les prédictions théoriques montre que la production de quarkonia n’est pas encore correctement décrite. Aucun de ces modèles théoriques n’est capable de décrire à la fois les mesures de sections efficaces et de polarisation. / The main purpose of the ALICE experiment is the study and characterization of the Quark Gluon Plasma (QGP), a state of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined. Quarkonia (bound states of a heayvy quark Q and its anti-quark Q) constitute one of the most interesting probes of the QGP. Besides this motivation, the study of quarkonium production is very interesting since it can contribute to our understanding of Quantum Chromodynamics, the theory of strong interactions. The formation of quarkonium states in hadronic collisions is not yet completely understood. The two main theoretical approaches to describe the production of quarkonium states, the Color Singlet Model and the Non-Relativistic QCD framework (NRQCD), have historically presented problems to simultaneously describe the production cross section and polarization of such states. On the experimental side, quarkonium polarization measurements have not always been complete and consistent between them. So, neither from the theoretical nor from the experimental point of view the situation was clear.Improved methods for the measurement of quarkonium polarization have been recently proposed, highlighting the necessity to perform the measurements of all polarization parameters with respect to different reference axes. In this context, new measurements could help to improve and set new constraints to the calculations. ALICE has measured the J/ψ polarization in pp collisions at √8= 7 TeV. The higher statistics of the 8 TeV data with respect to the 7 TeV data allows to extend the pT range of the measurements. This thesis presents a complete measurement of J/ψ polarization, i.e. the three polarization parameters, in two polarization frames : the Collins-Soper and Helicity frames. The results show no significant J/ψ polarization in the kinematic domain studied: 2.5 < y < 4.0 and 2 < pT < 15 GeV/c. The measurement of a frame invariant parameter λ, was also performed to ensure that no bias was present in the analysis procedure. The comparison with different theoretical predictions shows that there is not yet a satisfactory description of quarkonium production. None of the present theoretical approaches is able to describe both, the cross section and polarization measurements.