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O Plasma de Quarks e Glúons (Quark Gluon Plasma ou QGP) criado de forma sistemática em grandes aceleradores de partículas que envolvem colaborações do mundo inteiro, apesar de ter sua descoberta anunciada há bastante tempo ainda apresenta desafios e questões a serem respondidas tanto do ponto de vista experimental como do teórico. O objetivo deste trabalho é estudar a conexão entre as condições iniciais da expansão do QGP (que dependem da interação forte e não são acessíveis ao experimento) com a anisotropia da emissão azimutal das partículas (que por sua vez reflete as condições iniciais e é medida experimentalmente). O modelo hidrodinâmico é descrito inicialmente, com ênfase no programa NeXSPheRIO. Também são apresentadas alguns tipos de observáveis e modelos de condições iniciais (NeXus, MC-KLN e TRENTO). Por fim resultados de simulações para distribuições evento-por-evento do fluxo anisotrópico (facilmente ligadas aos modelos de condições iniciais) são comparadas com dados do LHC e previsões são feitas para a energia mais alta do RHIC. Estas previsões são testadas via a razão $v_2\\{4\\}/v_2\\{2\\}$ para a qual dados existem. / The Quark Gluon Plasma (QGP), created in a systematic way in large particle accelerators which are built by worldwide collaborations, even though its discovery being announced a long time ago it still presents us with challenges and questions to be answered even from the experimental point of view to the theoretical one. The main goal of this work is to study the connection between the initial conditions for the QGP expansion (which depend on strong interactions and are not accesible to the experiments) to the anisotropy in the azimuthal particle emission (which in turn reflects the initial conditions and is measured experimentally). The hydrodynamical model is described initially, with emphasis on the code NeXSPheRIO. Additionally some types of observables and initial condition models (NeXus, MC-KLN and TRENTO) are presented. And at last, results from simulations for event-by-event distributions for the anisotropic flow (easily connected to the initial conditions models) are compared with LHC\'s data and predictions are made for the RHIC\'s top energy. These predictions are tested by the $v_2\\{4\\}/v_2\\{2\\}$ for which data exists.

Nesta dissertação discutimos a medida RAA desenvolvida para análise de observáveis de colisão núcleo-núcleo (AA), tendo em vista sua implementação em colisões próton-próton (pp). No contexto das colisões hadrônicas de altíssimas energias, o RAA compara quantidade de observáveis duros medidos em colisões AA com a quantidade do mesmo observável em colisões pp. As qualidades destas colisões são descritas pela teoria do modelo de Glauber, em que projeção analítica da produção esperada de quarks pesados (observável duro) é realizada para colisões nucleares por meio da sobreposição de colisões pp independentes. Esta projeção analítica é comparada no RAA à medida de quarks pesados em estado final de colisões AA, e desvios em relação à distribuição de momentos da seção de choque calculada teoricamente são interpretados como decorrentes da presença de plasma de quarks e glúons (PQG) na colisão medida. O plasma de quarks e glúons é o objeto de interesse do campo de estudos em que esta pesquisa se insere. Considerado presente em colisões AA centrais desde 2000, o plasma de quarks e glúons é o estado da matéria mais energético possível, em que os pártons produto da colisão se comportam livremente por breves instantes e sofrem expansão hidrodinâmica. Este processo acontece nos estágios inacessíveis da colisão. Algumas das medidas indiretas que indicam formação de plasma em colisões AA são detectadas em colisões de sistemas pequenos, pp e pA desde 2010. Ainda não foi medida supressão de provas duras no PQG. As tentativas de medir PQG em sistemas pequenos pelo método do RAA tem sido feitas por meio da comparação RpA, também definida pelo modelo de Glauber. Na presente pesquisa buscamos extrapolar o funcionamento do RAA para medidas em colisões pp. Como o núcleo em Glauber é formado por sobreposição de prótons, a resolução da descrição da colisão na teoria é discutida. Além disso verificamos que a concepção de que colisões pp não formam ambiente de PQG é importante para o estabelecimento da comparação RAA. Entendemos que as hipóteses sobre a física de estágios inacessíveis da colisão previstas pela teoria de Glauber são diferentes das hipóteses decorrentes de medidas de coletividade em sistemas pequenos. Propomos alternativamente comparações experimentais simples entre quantidades parecidas medidas em colisões pp que podem conter informações sobre supressão de observáveis duros em colisões pp de alta multiplicidade sem o uso de quantidades teóricas. / This master thesis adresses the measurement RAA, developed for the analysis of nucleus-nucleus (AA) collisions, aiming to implement the measure for proton-proton (pp) collisions. In the context of high energy hadronic collisions, RAA compares hard observables measured in AA collisions with the same observable measured in pp collisions. These collisions traits are described by the Glauber model, where an analitical projection of the expected heavy quark production (hard observable) is calculated through the superimposition of independent pp collisions. In RAA, that analitical projection is compared to the actual final state AA collisions measurements, and deviations with relation to the momentum distribution of the theoriticaly calculated cross section are regarded as arising from interaction of the heavy quark with a quark gluon plasma (QGP) formed in the measured collision. The quark gluon plasma is the fields object of interest in which this reasearch is undertaken. Since 2000, QGP is measured and presumed in central AA colissions.The quark gluon plasma is the most energetic state of nuclear matter, in which partons behave as deconfined matter and undergo hydrodynamic expansion. That happends in the first inaccessible stages of the collisions. Some of the indirect measurements that point to the formation of QGP in AA collisions have been detected small systems, pp and pA, since 2010. Is yet to be measured hard probes PQG supression in these systems. Current attempts to evaluate this supression have been made with the RpA comparison, also defined with the Glauber model. In this study, we attempt to extrapolate the RAA operation to pp collision measurements. As the nucleus in Glauber is modeled as a superimposition of pp collisions, the theory\'s resolutuon in describing AA collisions is discussed. We also notice that the concept of pp collisions not formimg QGP is relevant for RAA comparisons. We appreciate that the theoretical hipothesis on the physics of the inaccessible first stages of collisions as foreseen with the Glauber model are different than the hipothesis that stem from collectivity in small systems. We propose alternatively simple experimental comparisons between similar quantities measured in pp collisions without the use of theoretical quantities.

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik hat sich in der Praxis als vielseitige Theorie bewährt, dennoch deuten nichtverschwindende Neutrinomassen, dunkle Materie und Baryonenasymmetrie auf Physik jenseits des SM (BSM) hin. Um also ein mit den Beobachtungen konsistentes Modell zu entwickeln, ist eine umfassendere Theorie nötig. Experimentell kann entweder in Abweichungen von den Vorhersagen des SM nach neuer Physik gesucht werden. So kann jedes BSM-Szenario getestet werden. In dieser Arbeit werden BSM-Szenarien im Quark- sowie im Leptonen-Sektor und deren phänomenologische Konsequenzen auf messbare Observablen betrachtet. Ein konkretes Beispiel in dieser Dissertation sind Neutrino massen modellierung mit der Einführung von sterilen Neutrinos. Wir untersuchen die phänomenologische Konsequenz ihrer Einführung auf verschiedenen Massenskalen im Zusammenhang mit symmetriegenerierten oder strukturlosen Neutrinomassenmodellen. Unter den geschmacksabhängigen aktivsterilen Mischungen in den durch Symmetrie erzeugten Massenmodellen finden wir deutliche Hierarchien, die als Modelldiskriminator für zukünftige Experimente dienen. Ähnlich wie beim Ausnutzen von Symmetrien im Neutrinosektor, kann man Symmetrien auch in Modellen für Quarkmassen nutzen. In dieser Arbeit werden Symmetrien behandelt, die den Cabibbo-Winkel für Quarkmischung in führender Ordnung quantisieren können. Dies führt zu einer Vielzahl möglicher Symmetrien, welche genutzt werden können um spezifische Modelle für Quarkmassen zu entwickeln. BSM-Physik indirekt mit Hilfe astrophysikalischer Neutrinos zu testen stellt eine Alternative zur direkten Detektion dar, und führt bei Betrachtung der Zusammensetzung des NeutrinoFlavours zu klaren Abweichungen von den Erwartungen. Neben der Behandlung verschiedenster BSM-Szenarien wird auch das Potenzial zukünftiger Experimente betrachtet, vor Allem im Hinblick auf deren Effektivität Physik jense. / The Standard Model (SM) of particle physics is a well-tested and predictive theory, however non-zero neutrino masses, the existence of dark matter, and the baryon asymmetry suggest physics beyond the SM. Thus, in order to have a model consistent with observations, a more complete theory is needed. Experimentally, one can search for new physics, thereby differentiate different BSM scenarios. We consider BSM scenarios in the quark and lepton sectors, and study their phenomenological consequence on measurable observables. A specific example is neutrino mass modeling with the introduction of sterile neutrinos. We study the phenomenological consequence of introducing them at different mass scales in the context of symmetry-generated or structureless neutrino mass models. We find distinct hierarchies among the flavor-dependent active-sterile mixings in the symmetry-generated mass models, which acts as a model discriminator for future experiments. Similarly as using symmetries in the neutrino sector, one can also use symmetries in quark mass models. This thesis consider symmetries capable of quantizing the Cabibbo quark mixing angle to leading order. As a result, a variety of possible symmetries are obtained, which can be used to build specific quark mass models. Probing BSM physics indirectly via astrophysical neutrinos, acts as an alternative to direct detection, and using the neutrino flavor composition as observable, BSM physics leads to clear deviations from expectation. Additional information comes from other effects, and it helps in constraining the parameter space further. Beside discussing different BSM scenarios, we illustrate the potential of future experiments, emphasizing their effectiveness to test and discriminate BSM physics.

Das Modell einer vierten Familie konnte bis heute aufgrund von theoretischen Argumenten nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die Suche nach einem Down-artigen Quark der vierten Familie mit dem folgenden angenommenen Zerfall: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X vorgestellt. Für diese Analyse wird eine integrierte Luminosität von 2.05 fb−1 verwendet, aufgenommen mit dem ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7TeV für die Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider. In der Analyse werden Ereignisse mit zwei gleich geladenen Leptonen (e oder mu) in den Endzuständen selektiert, was eine seltene Signatur im Standard Modell darstellt. Neben einer verwendeten Standardselektierung für die Ereignisse, entnommen aus der ATLAS Top-Quark Analyse, wird eine Optimierung der Schnitte mit einer multivariaten Analyse durchgeführt. Des Weiteren werden systematische Unsicherheiten studiert, die durch die Partonendichteverteilungsfunktion sowie durch Abstrahlung von Teilchen wie Gluonen im Anfangs- und im Endzustand bei der Simulation mit dem Monte Carlo Generator entstehen. Mit den selektierten Ereignissen in der Signalregion von zwei gleich geladenen Leptonen wird durch eine Zählanalyse die Anzahl gemessener Signalereignisss extrahiert. Mit diesen Signalereignissen wird dann die untere Massenausschlussgrenze des b''-Quarks mit einer modifizierten Frequentistmethode bestimmt. Das Ergebnis zeigt, dass mit einem angenommenem Verzweigungsverhältnis von 100 % für den Zerfall b'' -> t + W alle Massen unterhalb einer Grenze von 461 GeV mit einem 95 % Konfidenzintervall ausgeschlossen sind. / The model of a fourth generation is currently not excluded by theoretical arguments. In this thesis a search for a fourth generation down-type quark is presented with the decay hypothesis: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X The search is performed with an integrated luminosity of 2.05 fb−1 , obtained with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider running proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7TeV. Events for the analysis are selected with a search signature of two same-sign charged leptons (e or mu) in the final state, which is a rare Standard Model signature. Beside using the standard event selection from ATLAS top analyses, the event selection criteria are optimized with a multivariate analysis in order to maximize the significance. Furthermore, systematic uncertainties are studied coming from the parton distribution function as well as the initial and final state radiation. With the selected events in the signal region of two same-sign leptons, the signal is extracted via a counting method. The extracted signal is used for the determination of the mass limit of the fourth generation down-type quark with a modified frequentist method. Assuming a branching ratio of 100 % for the decay b'' -> t+W , b'' masses below 461 GeV are excluded at 95 % confidence level.

One of the goals of the COMPASS experience is the study of the nucleon spin structure. Data were taken from a polarized muon beam (160 GeV/c) scattering off a polarized target (6LiD or NH3). In this context, the need of a precise knowledge of quark Fragmentation Functions (final-state hadronisation of quarks q into hadrons h, FFs) was raised. The FFs can be extracted from hadron multiplicities produced in Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS). This thesis presents the measurement of charged hadrons (pions and kaons) multiplicities from SIDIS data collected in 2006. The data cover a large kinematical range: Q2>1 (GeV/c)2, y є [0.1,0.9], x є [0.004,0.7] and W є [5,17] GeV. These multiplicities provide an important input for global QCD analyses of world data at NLO, aiming at the FFs determination. / L'un des objectifs de l'expérience COMPASS est l'étude de la structure du nucléon de spin. Les données ont été prises à partir d'un faisceau de muons polarisée (160 GeV/c) diffuse sur une cible polarisée (6LiD ou NH3). Dans ce contexte, la nécessité d'une connaissance précise des fonctions de fragmentation des quarks (état final du hadronisation de quarks q en hadrons h, FFs) a été soulevée. Le FFs peuvent être extraites de multiplicités de hadrons produits en Semi-Inclusive diffusion profondément inélastique (SIDIS). Cette thèse présente la mesure de la multiplicité de hadrons charge (pions et kaons) à partir de données SIDIS collectées en 2006. Les données couvrent un large domaine cinématique : Q2>1 (GeV/c)2, y є [0.1,0.9], x є [0.004,0.7] and W є [5,17] GeV. Ces multiplicités fournissent un apport important pour l'analyse des données mondiales au 2ème ordre de QCD, visant la détermination de FFs.

Les collisions de particules à très hautes énergies sont un moyen de sonder la matière au niveau de ses composants les plus élémentaires : les partons (quarks et gluons). Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes produisent dans le même événement le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP) et des interactions élémentaires de type parton-parton. Ces interactions, appelés processus durs, proviennent de l'état initial et produisent des partons de hautes impulsions transverses qui vont fragmenter en hadrons détectables (jets). Avant la fragmentation, les partons sont susceptibles d'interagir avec le QGP, modifiant les propriétés des hadrons produits. L'étude des processus dur sera d'un grand intérêt au LHC. La section efficace de production de jet est calculable en pQCD, en se basant sur l'hypothèse de factorisation. EPOS est un générateur d'événements dont l'objectif est de reproduire des événements directement comparables à l'expérience en décrivant aussi bien les aspects durs que les aspects mous (QGP) dans un modèle cohérent. Dans cette thèse, je détaillerai les motivations pour produire des processus durs dans un événement complet. La partie dure devant être compatible avec la pQCD. Ainsi, comme dans l'expérience la production d'un processus rare nécessite beaucoup de statistique. Je présenterais alors une méthode de coupure sur les hautes impulsions transverses permettant de produire facilement des jets de haute impulsion transverse dans le contexte des aspects mous.

Depuis 20 ans, les collisions entre ions lourds sont la seule façon d'étudier la matière hadronique dans le laboratoire. Le diagramme de phase de la matière hadronique reste encore méconnu malgré les efforts expérimentaux et théoriques qui ont été entrepris ces dernières décennies afin de mieux connaître ses transitions des phases. Après une introduction générale sur le sujet, nous aborderons plus en détail deux transitions de phases de la matière hadronique: la transition liquide gaz et la transition vers le plasma de quarks et de gluons. Une vue générale sur les méthodes expérimentales pour étudier ces transitions sera ensuite présentée dans le troisième chapitre. Les résultats principaux du programme d'ions lourds mené à bien au collisionneur RHIC à BNL (Upton, NY, Etas-Unis), seront présentés dans le quatrième chapitre. Le derniers 3 chapitres seront dédiés au futur programme d'ions lourds au collisionneur LHC au CERN (Genève, Suisse), en particulier à la seule expérience dédiée à cette physique, ALICE, et à son spectromètre à muons.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes au LHC devraient permettre de former le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Les photons, insensibles à l'interaction forte qui domine ce milieu sont une sonde intéressante pour l'étude du PQG. Les gamma-jets sont des processus durs et rares où un photon et un parton sont émis dos à dos. Le parton hadronise en une gerbe de particules appelée jet. Ces jets sont atténués (jet quenching) par interaction forte du parton avec le PQG. La perte d'énergie, ou plus exactement la redistribution de l'énergie du jet, est mesurable par la modification de la distribution de l'énergie des particules appartenant au jet entre les collisions p-p et Pb-Pb (fonction de fragmentation ou distribution en « hump-backed plateau »). Cette mesure nécessite l'énergie initiale du jet, ce que les gamma-jets permettent d'obtenir de façon précise.<br />Notre travail consiste à utiliser le calorimètre EMCal pour détecter un photon en corrélation avec un jet reconstruit dans la partie centrale d'ALICE, puis à comparer ces distributions en énergie pour des collisions p-p et Pb-Pb.<br />Dans un premier temps, la physique des gamma-jets est abordée, puis nous présentons l'identification des particules dans EMCal afin de reconnaître un photon direct, c'est-à-dire un photon émis en corrélation avec un jet. Ensuite, des méthodes d'identification et de reconstruction du jet sont développées pour pouvoir déterminer les distributions de « hump-backed plateau ». Enfin ces techniques sont testées afin d'évaluer les capacités d'ALICE et notamment d'EMCal pour étudier les gamma-jets au LHC et d'apprécier la sensibilité de cette sonde pour explorer le PQG.