The Effective Field Theory formalism is applied to the study of problems in hadronic and nuclear physics. We develop a framework to study the exclusive two-body decays of bottomonium into two charmed mesons and apply it to study the decays of the C-even bottomonia. Using a sequence of effective field theories, we take advantage of the separation between the scales contributing to the decay processes, 2m(b) ≫ m(c) ≫∧(QCD). We prove that, at leading order in the EFT power counting, the decay rate factorizes into the convolution of two perturbative matching coefficients and three non-perturbative matrix elements, one for each hadron. We calculate the relations between the decay rate and non-perturbative bottomonium and D-meson matrix elements at leading order, with next-to-leading log resummation. The phenomenological implications of these relations are discussed. At lower energies, we use Chiral Perturbation Theory and nuclear EFTs to set up a framework for the study of time reversal (T) symmetry in one- and few-nucleon problems. We consider T violation from the QCD θ term and from all the possible dimension 6 operators, expressed in terms of light quarks, gluons and photons, that can be added to the Standard Model Lagrangian. We construct the low energy chiral Lagrangian stemming from different TV sources, and derive the implications for the nucleon Electric Dipole Form Factor and the deuteron T violating electromagnetic Form Factors. Finally, with an eye to applications to nuclei with A ≥ 2, we construct the T violating nucleon-nucleon potential from different sources of T violation.

Ce document presente des résultats relatifs à la préparation du programme de physique de l'expérience LHCb: développement d'un logiciel de génération, commissioning du trigger calorimètre et mesure de la production des J/psi. Une simulation détaillée est obligatoire pour développer les outils d'analyse nécessaires pour réaliser ce programme et un logiciel de génération détaillé a été implémenté. Celui-ci décrit par exemple le mélange des B et la violation de CP dans les désintégrations des B pour l'environnement hadronique de LHCb. Pour les désintégrations hadroniques, le système de déclenchement de l'expérience est basé sur les calorimètres, en particulier le calorimètre hadronique. La grande section efficace de production au LHC permet de faire, avec les premières données enregistrées par l'expérience, une mesure de la section efficace différentielle des J/psi, et de la comparer avec des modèles thèoriques pour tester QCD dans le secteur des quarks lourds.

Le LHC (Large Hadron Collider) situé au CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) à Genève est le plus grand accélérateur pour la physique des particules. Les collisions proton-proton à des energies dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 14 TeV qui seront produites au LHC vont offrir la possibilité de s'intéresser aux questions les plus fondamentales en Physique. L'expérience LHCb est l'une des quatre expériences principales au LHC. Dédiée aux études de physique du b, le but principal de l'expérience LHCb est d'explorer d'éventuels modèles de Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard à travers l'étude des désintégrations rares des hadrons charmés ou beaux, et à travers des mesures de précision des observables de la violation de CP. Même lors de sa phase de fonctionnement initial, un nombre important de J/ψ va être collecté par le détecteur LHCb et va nous permettre de réaliser des études très intéressantes sur la production du charmonium. Ces mesures pourront apporter un éclairage nouveau pour la compréhension des mécanismes de production des quarkonia dans les collisions de hadrons. Dans cette thèse, les études de la production de J/ψ à LHCb est presentée, basée sur un échantillon d'événements Monte Carlo complétement simulés. La procédure dévelopée dans cette thèse sera utilisée pour analyser les données réelles lorsque suffisamment de statistique sera accumule. L'analyse a été effectuée en utilisant des événements Monte Carlo générés à une énergie dans le centre de masse égale à 14 TeV, et à une luminosité de 2 × 10^32 cm^−2 s^−1 . La taille du lot de données simulées correspond à une luminosité intégrée de 0.79 pb^−1 . Les événements J/ψ sont reconstruits en utilisant des critères de sélection optimisés pour atteindre la meilleure discrimination contre les processus de bruit de fond. L'étude réalisée montre que 6.5 ×10^6 J/ψ peuvent être reconstruits par pb^−1 de données avec une résolution en masse de 11 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B résolution en masse de 11 MeV/c et un rapport signal sur bruit S/B ∼ 18 dans une fenêtre de masse de ±3σ. La section efficace de production des J/ψ prompt et des J/ψ de désintégrations de b est mesurée dans 28 bins en pT et η recouvrant la région 0 < pT < 7 GeV/c et 3 < η < 5. Dans chaque bin, une variable est définie pour distinguer les J/ψ prompt de ceux de désintégrations de b. Pour 0.79 pb−1 de données, une précision de 10% peut être obtenue pour la ma jorité des bins. Les erreurs systématiques sont estimées à un niveau équivalent. L'analyse montre également que la polarisation du J/ψ joue un rôle important dans la détermination de la section efficace. Elle peut contribuer à une erreur systématique jusqu'à 30% dans certains bins. Un tel effet peut être grandement réduit si une analyse de la polarisation du J/ψ est effectuée simultanément. La mesure des paramètres de polarisation aidera aussi grandement pour la compréhension du méchanisme de production du J/ψ. Dans le but de réduire la quantité de données simulées nécessaire pour les estimations d'efficacité, une méthode est dévelopée pour prendre en compte les efficacités 2-D par trois paramètres, et toutes les erreurs à part les erreurs statistiques ne dépendront que de ces trois paramètres. A partir des trois paramètres estimés avec les mêmes données Monte Carlo, les erreurs sur les paramètres de polarisation pour la ma jorité des bins sont d'environ 0.1 pour les J/ψ prompt et d'environ 0.2 pour les J/ψ de désintégrations de b. L'expérience LHCb ayant déjà enregistré 14 nb^−1 de données, une partie de l'analyse peut être effectuée. Environ 3000 candidats J/ψ sont reconstruits avec une résolution en masse de 16 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B ~ 18 dans une fenêtre en masse de ±3σ. En se basant sur cet échantillon, la section efficace en fonction de pT est mesurée. La mesure préliminaire de la section efficace des J/ψ dans la région pT ∈ [0, 9] GeV/c et y [2.5, 4] est 7.6 ± 0.3 µb où seule l'erreur statistique est donnée.

The prompt production of &chi / c quarkonia is studied in proton-proton collisions at 7 TeV, using data collected by CMS in 2011 corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb &minus / 1. The &chi / c mesons are reconstructed through their radiative decays to J/&psi / and photon with J/&psi / &rarr / &mu / +&mu / &minus / . The photons are reconstructed through their conversion in electron-positron pairs in the tracking detector which gives a mass resolution sufficient for resolving these states. The ratio of the prompt production cross sections for the &chi / c1 and &chi / c2 states, &sigma / (&chi / c2)/&sigma / (&chi / c1), has been determined as a function of the J/&psi / transverse momentum between 7 and 25 GeV/c.

<p>Quantum chromodynamics (QCD), the theory of quarks and gluons, is known to be</p><p>the correct description of strong nuclear interactions. At high energy and momenta,</p><p>one can use QCD directly to compute quantities of physical interest related to the</p><p>strong force. At low energies and momenta, one should use a different description in</p><p>terms of the degrees of freedom relevant at that scale. Two approaches to achieve</p><p>this end are effective field theories and gauge/gravity dualities. The former involves</p><p>a field theory more or less like QCD itself, but with states which are composites</p><p>of quarks and gluons. Then a perturbative expansion is made not in terms of the</p><p>gauge coupling but instead in terms of the momentum of the fields. This approach</p><p>dates back to the 1970s and is on firm theoretical footing. Gauge/gravity dualities</p><p>are a newer and less understood technique, which relates the physics of the strong</p><p>interactions to a different but likely equivalent theory in a higher dimensional space-</p><p>time, where the quantity of interest can be computed more readily. We employ</p><p>both effective field theories and gauge/gravity dualities to study the physics of ex-</p><p>otic quarkonium states, that is bound states containing a heavy quark-antiquark pair</p><p>which nevertheless cannot be be understood working only with the standard quark</p><p>model of hadrons. Candidates for such states, long speculated to exist, have recently</p><p>been observed at particle colliders, so that the theory of exotic quarkonium is now</p><p>of great experimental importance.</p> / Dissertation

Les collisions d’ions lourds ultrarelativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à températures et densités d'énergie extrêmes. La chromodynamique quantique (QCD) prédit, dans ces conditions, l’existence d’une nouvelle phase de la matière dans laquelle les constituants des hadrons sont déconfinés en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premiers instants des collisions, avant de traverser le milieu. Par conséquent, la mesure des quarkonia (mésons cc et bb) est particulièrement intéressante pour l'étude du QGP : leur dissociation, due notamment à l’écrantage de couleur, est sensible à la température initiale du système. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit, mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie 14 fois supérieure à celle du RHIC, l’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) au CERN, entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est une des quatre grandes expériences fonctionnant auprès du LHC et dont le but principal est l'étude du plasma de quarks et gluons produit dans les collisions d'ions plomb à une énergie de 2.76 TeV par nucléon. Elle enregistre aussi des collisions pp afin de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et proton-noyau et de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de la variable d'échelle x de Bjorken. Les quarkonia, ainsi que les saveurs lourdes ouvertes et les mésons légers, sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration muonique avec le spectromètre à muons situé à petit angle polaire. Il est constitué d'un ensemble d’absorbeurs, d’un dipôle chaud, de cinq stations de trajectographie (Muon Tracking) et de deux stations de déclenchement (Muon Trigger). Le travail présenté dans cette thèse a été réalisé de 2011 à 2013 pendant les premières années de prise de données dans l’expérience ALICE. Après une introduction à la physique des ions lourds à hautes énergies et une description du setup expérimental, une étude des performances du Muon Trigger en Pb-Pb est proposée. En particulier, la stabilité dans le temps du détecteur et son efficacité de fonctionnement sont contrôlées. Le cluster size, correspondant au nombre moyen de voies adjacentes touchées par particule détectée, est étudié en fonction des différents variables. Les valeurs expérimentales sont comparées à des simulations afin de fournir une paramétrisation de cet effet. Finalement, la production du méson Ç en collisions Pb-Pb est analysée en détail et comparée à celle en collisions pp à la même énergie. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures du J/ψ par ALICE, aux mesures par CMS et à des prédictions de modèles théoriques. / The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb–Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.

We investigate charmonium production in the hot medium created by heavy-ion collisions by setting up a framework in which in-medium charmonium properties are constrained by thermal lattice QCD (lQCD) and subsequently implemented into kinetic approaches. A Boltzmann transport equation is employed to describe the time evolution of the charmonium phase space distribution with the loss and gain term accounting for charmonium dissociation and regeneration (from charm quarks), respectively. The momentum dependence of the charmonium dissociation rate is worked out. The dominant process for in-medium charmonium regeneration is found to be a 3-to-2 process. Its corresponding regeneration rates from different input charmquark momentum spectra are evaluated. Experimental data on J/[psi] production at CERN-SPS and BNL-RHIC are compared with our numerical results in terms of both rapidity-dependent inclusive yields and transverse momentum (pt) spectra. Within current uncertainties from (interpreting) lQCD data and from input charm-quark spectra the centrality dependence of J/[psi] production at SPS and RHIC (for both mid-and forward rapidity) is reasonably well reproduced. The J/[psi] pt data are shown to have a discriminating power for in-medium charmonium properties as inferred from different interpretations of lQCD results.

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.

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.

The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb-Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.