La matière nucléaire, constituant le noyau des atomes, est formée de quarks et de gluons, dont l’interaction est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Dans des conditions normales, quarks et gluons ne peuvent être observés de façon isolée et sont confinés dans des hadrons tels que les protons et les neutrons. Le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) est un état de la matière nucléaire prédit par la QCD pour lequel ces quarks et gluons sont déconfinés. Expérimentalement, le PQG peut être créé dans des collisions d’ions lourds ultra-relativistes, telles que les collisions d’ions lourds effectuées au LHC, correspondant à des vitesses proche de celle de la lumière. Il est possible d’obtenir des informations sur le PQG en mesurant un large nombre d’observables. En particulier, la production de charmonium tels que le J/ψ et le ψ(2S), particules lourdes constituées d’une paire de quarks charme et anti-charme () est mesurée pour étudier le plasma. En effet, la présence d’un PQG est censée modifier les taux de production des charmonia, à cause d’un équilibre entre un mécanisme d’écrantage de couleur du potentiel des quarks charme et un mécanisme dit de recombinaison. La position de cet équilibre dépend de l’énergie de collision, la température du plasma, et la nature de la particule considérée, et plus spécifiquement, il est attendu que le ψ(2S) soit plus supprimé que le J/ψ. Dans cette thèse, la production inclusive de ψ(2S) en collisions Pb − Pb à une énergie par collision nucléon-nucléon dans le référentiel du centre de masse de TeV est mesurée dans le canal de décroissance de dimuon avec le Spectromètre à Muons d’ALICE. L’analyse est basée sur les données collectées dans ALICE (A Large Ion Coliider Experiment) au LHC en 2015 correspondant à une luminosité intégrée de 225 μb−1. Le facteur de modification nucléaire RAA est étudié en fonction de la centralité des collisions, correspondant à la distance transverse entre les centre des noyaux de plomb. Le rapport des RAA du ψ(2S) et du J/ψ est également mesuré et montre que le ψ(2S) est plus supprimé que le J/ψ pour des collisions mi-centrales et centrales. Comparées aux prédictions théoriques, les mesures sont compatibles avec les modèles dans la limite des incertitudes. L’amélioration du Muon Trigger, le MID, est également étudié, en particulier le débit de données attendu pour des fréquences de collision de 100 kHz. Basée sur les données en collisions Pb − Pb à une énergie de TeV, les estimations prédisent que la technologie qui sera implémentée sur le MID possède une bande passante suffisante. / The nuclear matter, which constitues the atomic nuclei, is composed of quarks and gluons and interactions between them are described by quantum chromo-dynamics (QCD). Under ordinary conditions, quarks and gluons cannot be observed isolated and are confined inside hadrons such as protons and neutrons. The Quark-Gluon Plasma (QGP) is a state of nuclear matter predicted by QCD where quarks and gluons are deconfined. Experimentally, a QGP can be created in ultra-relativistic heavy ion collisions such as the lead-lead collisions delivered at the LHC, corresponding to speeds close to the speed of light. It is possible to obtain information on the characteris- tics of the QGP by measuring a large number of observables. In particular, the production of charmonium states such as the J/ψ and the ψ(2S), heavy particles composed of a charm and anti-charm pair (), is studied to investigate the plasma. Indeed, the presence of QGP is expected to modify the charmonium production yields, due to a balance between the mechanism of color screening of the charm quark potential and a mechanism called recombination. This balance depends on the collision energy, the temperature of the plasma and nature on the considered particle, in particular one expects the ψ(2S) to be more suppressed than the J/ψ. In this thesis the inclusive production of ψ(2S) in Pb − Pb collisions at an energy per nucleon-nucleon collision in the center of mass frame of TeV is measured in the dimuon-decay channel, using the ALICE Muon Spectrometer. The analysis is based on the data collected in ALICE (A Large Ion Collider Experiment) at the LHC in 2015 with an integrated luminosity of 225 μb−1. The nuclear modification factor RAA is studied as a function of centrality. The ratio of the ψ(2S) and J/ψ RAA is also evaluated and shows that the ψ(2S) is more suppressed than the J/ψ for mid-central and central events. Compared with theoretical predictions, the measurements are, within uncertainty, in agreement with theoretical model. The upgrade of the Muon Trigger, the MID (Muon Identifier), is also studied, in particular the expected data flow at a collisions rate of 100 kHz. Based on the Pb − Pb data at a collision energy of TeV, the estimations predict that the technology that will be implemented in the MID provides a sufficient bandwidth to sustain the data flow.

Le jet est l'une des sondes permettant de tester les prédictions de la théorie de l'interaction forte, la QCD, et d'extraire les propriétés physiques d'un état particulier de la matière nucléaire : le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Ce travail de thèse a pour but de montrer les capacités d'ALICE à mesurer les jets issus des collisions produites au Large Hadron Collider (LHC).La détection des particules constituant les jets, leur association à l'aide d'algorithmes de reconstruction ainsi que la construction d'observables telles que le spectre en pT des jets ou le Plateau Bossu est un travail complexe. Nous détaillons ces différentes étapes à partir de simulations permettant d'appréhender le taux de jets réels à attendre pour notre analyse etd'évaluer l'impact de la mesure expérimentale sur les observables finales. Nous présentons finalement les spectres en pT et Plateaux Bossus issus des premières collisions p+p du LHC auxquels ont été appliquées des corrections moyennes. / The jet is one of the probes allowing testing strong interaction theory predictions, QCD, and to extract physical properties from a particular state of nuclear matter : Quark Gluon Plasma (QGP). This PhD work is aimed to show ALICE capacities to measure jets coming from collisions produced at the Large Hadron Collider (LHC). The detection of particles constituting jets, their association with reconstruction algorithms and the construction of observables such as jet pT spectrum of Hump-Backed Plateau is a hard work. We detail these different steps from simulation allowing to estimate jet rates we could expect for ouranalysis and to evaluate the impact of experimental measure on final observables. We finally present pT spectrum and Hump-Backed Plateau from first p+p collisions at LHC to whom mean corrections have been applied.

La physique nucléaire de haute énergie a pour objet l'étude des propriétés du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG), un nouvel état de la matière composée de quarks et de gluons asymptotiquement libres. Selon les calculs de la ChromoDynamique Quantique (CDQ) sur réseau, une transition de la matière nucléaire vers un PQG doit se produire pour des densités d'énergie au-delà de ~ 1 GeV/fm3 (correspondant à une température ~ 150 - 200 MeV). De telles conditions extrêmes de température et de densité d'énergie sont réalisées en laboratoire en utilisant des collisions ions lourds aux énergies ultra-relativistes. Le PQG ainsi créé est cependant si fugace qu'il ne peut être étudié que par des sondes internes produites au sein même de la collision mais à des échelles de temps bien inférieures à celle du PQG. Ces sondes dites dures vont alors être modifiée suite à leur interaction avec le PQG, de cette modification s'ensuit l'inférence des propriétés de transport du PQG.Cette thèse porte sur la mesure des jets comme sondes dures du PQG, elle s'articule selon deux axes complémentaires : le développement d'un nouvel algorithme de déclenchement calorimétrique de l'expérience ALICE pour le Run 2 du LHC afin d'efficacement sélectionner les événements contenant une gerbe électromagnétique, ainsi que la mesure de la production inclusive de jets chargés dans les collisions Pb-Pb à l'énergie la plus élevée à ce jour de 5.02 TeV auprès du LHC. Un des défis majeurs de la mesure des jets dans les collisions d'ions lourds consiste à séparer les jets de l'événement sous-jacent. L'approche retenue dans ce travail repose sur une évaluation événement par événement de l'amplitude de cet événement sous-jacent qui est alors soustraite des jets reconstruits. Les fluctuations résiduelles de ce bruit de fond sont par la suite corrigées par une méthode de déconvolution adaptée. Enfin, afin de réduire au maximum la contamination du bruit de fond combinatoire, une coupure de 5 GeV/c sur l'impulsion transverse du constituant prééminent est appliquée.La mesure des facteurs de modification nucléaire des jets montrent une très forte suppression que l'on attribue à la perte d'énergie des partons dans le PQG. Dans ce travail de thèse, une étude phénoménologique de cette manifestation qualifiée "d'étouffement des jets" à partir d'une observable originale, est présentée. Cette étude met en évidence plusieurs résultats fondamentaux : une perte d'énergie constante dans le domaine d'impulsion transverse de jet mesuré (jusqu'à 100 GeV/c), plus prononcée qu'à plus basse énergie et montrant une dépendance quadratique avec la longueur de parcours dans le milieu suggérant la prépondérance d'une perte d'énergie des partons par radiation de gluons. / High-energy nuclear physics aims at revealing the properties of Quark-Gluon Plasma (QGP),a new state of matter consisting of asymptotically free strong-interacting quarks and gluons. According to lattice QCD calculation, a transition from normal nuclear matter to a QGP is expected for energy densities exceeding the critical threshold of Ec ~ 1 GeV/fm3 (Tc ~ 150 - 200 MeV). Such extreme conditions of temperature and energy density are met in laboratory by smashing heavy nuclei at ultrarelativistic energies. The QGP thus created is however so short lived that it can only be resolved by self-generated hard probes, namely produced together with the medium but on a much shorter time scale. By subsequently interacting with the expanding QGP, these well calibrated probes carry valuable information about its transport properties.The purpose of this thesis is the measurement of jets as hard probes of the QGP along two complementary directions: by developping a new ALICE jet calorimeter trigger algorithm for LHC Run 2 to efficiently select events containing high energy electromagnetic showers and measuring charged jet production cross sections in Pb-Pb collisions at highest-ever centre of mass energy of 5.02TeV provided by the LHC. One of the basic challenges facing jet measurement in heavy-ion collisions consists in separating jets from the soft underlying event. The magnitude of the underlying event is quantified on an event-by-event basis and subtracted from the reconstructed jets. The remaining background fluctuations and detector effects are corrected at the event-ensemble level by an unfolding method. Furthermore, in order to minimise the fake jet contamination, a leading track jet transverse momentum cut-off of 5 GeV/c is applied.A strong suppression of jet production in the most central heavy-ion collisions is observed and quantified by the measurement of the nuclear modification factor, RAA. Such a suppression is interpreted as the result of parton energy loss in the QGP, the so-called jet quenching phenomenon. In this thesis, a phenomenological study with an original experimental observable of jet quenching (the energy shift) is presented. The key findings from this study are that the energy loss is constant in the measured jet transverse momentum range (up to ~ 100 GeV/c), of larger amplitude than at lower collision energy, and with a quadradic path-length dependence supporting the assumption that gluon radiation is the dominant mechanism at work.

La Chromodynamique Quantique prédit que la matière chaude et dense produite en collisions d'ions lourds ultra-relativistes, le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP), se conduit comme un état déconfiné de quarks et gluons.ALICE est la seule expérience au LHC qui a été conçue et construite pour caractériser la physique du QGP. Le spectromètre à muons, un des détecteurs d'ALICE, est utilisé pour mesurer la production de quarkonia à rapidité en avant.Dans la thèse suivante, l'efficacité des chambres de trajectographie du spectromètre à muons est étudiée durant une année de pris des données. Les résultats obtenus des données réelles sont comparés avec des simulations pour calculer les incertitudes systématiques par rapport aux chambres de trajectographie.Une analyse complète de la production inclusive de J/psi --> mu^+ mu^- dans les collisions Pb-Pb 2011 est également presentée. L' étude inclut l'extraction du signal, normalisation et corrections d'acceptance et d'efficacité. Une partie importante est consacrée à quantifier les incertitudes systématiques liées aux différentes sources. Les résultats, R_{AA} et <p_{T}> , sont comparés avec des expériences précédentes et des modèles théoriques. / Quantum Chromodynamics predicts that the hot and dense matter produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions, the Quark Gluon Plasma (QGP), behaves as a deconfined state of quarks and gluons. Since 1980's it was predicted that quarkonia are suppressed due to screening effects in the QGP, making quarkonia a good tool to probe the plasma.ALICE is the only experiment at the LHC that was designed and built to characterize the physics of the QGP. The muon spectrometer, one of the detectors in ALICE, is used to measure the quarkonia production at forward rapidity. In this thesis the efficiency of the tracking chambers of the muon spectrometer is studied along one year of data taking. The results obtained from real data are compared to simulations in order to compute the systematic uncertainties associated to the tracking apparatus.A complete analysis of the inclusive J/psi --> mu^+ mu^- production in the 2011 Pb-Pb collisions is also presented. The study includes the signal extraction, normalization and acceptance times efficiency corrections. An important part is dedicated to the quantify the systematic uncertainties arising from different sources. The resulting R_{AA} and <p_{T}> are compared to previous experiments and also to theoretical models.

Les jets sont les signatures expérimentales des quarks et des gluons émergeant des diffusions dures produites lors des interactions hadroniques. La section efficace de production de jets se calcule dans la cadre de la ChromoDynamique Quantique perturbative (pCDQ), faisant des mesures de jets un test sévère des prédictions de la pCDQ. En collisions d'ions lourds ultrarelativistes, les jets constituent des sondes bien étalonnées du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Dans des conditions extrêmes de température et de pression, les partons se déconfinent pour former une matière QCD en interaction forte. Les partons émis dans les collisions dures perdent de l'énergie à la traversée de ce milieu par perte d'énergie radiative et collisionnelle. Les propriétés des jets sont alors modifiées par rapport au vide, phénomène appelé étouffement des jets. Les propriétés de transport du PGQ peuvent être étudiées par la mesure de l'étouffement des jets.Les sections efficaces de production de jets chargés en collisions proton-proton (pp) aux énergies de 2.76 TeV et 7 TeV ont été mesurées par l'expérience ALICE puis comparées aux prédiction de la pCDQ à l'ordre dominant. En collisions Pb-Pb, l'intensité de la suppression des jets, inclusive et en fonction de la longueur de parcours dans le milieu, a été évaluée par la mesure des facteurs de modification nucléaire ($R_{mathrm{AA}}$) aux énergies de 2.76 TeV et 5.02 TeV. Le flot elliptique $v_{2}$, défini comme la distribution azitmutale par rapport au plan de réaction du deuxième ordre, qui est une grandeur sensible à la longueur de parcours des partons dans le milieu selon ou hors du plan de réaction, a été mesuré à l'énergie de 2.76 TeV. Cette mesure pour les collisions semi-centrales est en accord avec les prédictions théoriques. La réponse du milieu a été étudiée par l'intermédiaire des correlations jet-trace en fonction de la centralité de la collisionà l'énergie de 2.76 TeV. Les résultats obtenus suggérant une redistribution de l'énergie à grand angle par rapport à l'axe du jet. Ces résultats sont correctement décrits par des calculs phénoménologiques incluant l'évolution hydrodynamique du milieu.Dans cette thèse, deux aspects complémentaires de la mesure des jets à l'aide du détecteur ALICE ont été étudiés. D'une part, l'amélioration du système de déclenchement calorimétrique de l'expérience ALICE est présentée. Le Calorimètre Di-jet (DCal) a été installé pendant le premier arrêt long du LHC (LS1) afin d'étendre la couverture azimutale de l'existant Calorimètre ElectroMagnétique (EMCal) et Spectromètre à PHOtons (PHOS). Cette mise à jour a consisté à tenir compte de cette nouvelle configuration des détecteurs. Un nouveau micrologiciel de la carte électronique Summary Trigger Unit (STU) du sytème de déclenchement calorimétrique implementant un algorithme original combinant les informations des trois calorimètres a été développé. D'autre part, la mesure de la section efficace de production de jets chargés reconstruits avec différentes résolutions $R=0.2$, $0.3$, $0.4$ et $0.6$ en collisions pp à l'energie de 5.02 TeV est présentée. La comparaison de la section efficace mesurée avec les prédictions de la pCDQ à l'ordre sous-dominant (NLO) montre une bonne adéquation dans la région $10 < p_{mathrm{T},text{jet}}^{text{ch}} < 100 mathrm{GeV}/c$. La mesure du $v_{2}$ des jets chargés dans les collisions Pb-Pb semi-centrales (30-50%) à l'energie de 5.02 TeV est également exposée dans cette thèse. Les résultats obtenus ont été comparés à une simulation rapide basée sur le modèle de Glauber tenant compte de la dépendance de la suppression des jets selon leur longueur de parcours dans le milieu. Enfin, la mesure des corrélations entres jets chargés et hadrons dans les collisions Pb-Pb semi-centrales (30-50%) à l'energie de 5.02 TeV est présentée dans le but d'étudier la dépendance de la modification des jets en fonction de la géométrie de la collisions Pb-Pb. / Jets, defined as collimated sprays of high-momentum particles, are experimental signatures of hard-scattered quarks and gluons produced in hadronic interactions. The jet production cross section is calculable within perturbative Quantum ChromoDynamics (pQCD), and therefore jet measurements provide stringent tests of pQCD predictions. In relativistic heavy-ion collisions, jets are well calibrated probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP). Under extreme conditions of temperature and/or pressure, partons are deconfined and form a strongly interacting QCD medium. The initial hard scattered partons lose energy while traversing this medium due to radiative and collisional energy loss. Consequently, jet properties get modified in comparison with the vacuum case, phenomenon named jet quenching. QGP transport properties can be studied by measuring jet quenching.The charged jet production cross sections in pp collisions at $sqrt{s} = 2.76 mathrm{TeV}$ and $sqrt{s} = 7 mathrm{TeV}$ were measured by the ALICE experiment and compared to Leading-Order (LO) pQCD predictions. In Pb-Pb collisions, the strength of jet suppression was quantitatively assessed at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$ and $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ via the measurement of the nuclear modification factors ($R_{mathrm{AA}}$). The strength of charged jet suppression was quantified as a function of in-medium parton path-length based on the measured $R_{mathrm{AA}}$. The jet elliptic flow $v_{2}$, defined as the jet azimuthal distribution relative to the $2^{nd}$ order event plane, which is sensitive to the difference of the in-medium parton path-length in-plane and out-of-plane, was measured at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$. The measured jet $v_{2}$ in mid-central Pb-Pb collisions was consistent with model predictions. The medium response has been studied through jet-track correlations at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 2.76 mathrm{TeV}$ as a function of centrality. The result suggested that the in-medium suppressed energy was re-distributed to large angles with respect to the jet axis. The phenomenon was described by a phenomenological calculation taking into account hydrodynamical evolution of the medium.In this thesis, two complementary aspects of jet measurements with the ALICE detector at the LHC were studied. First, the upgrade of the ALICE electromagnetic calorimeter trigger system is presented. The Di-jet Calorimeter (DCal) has been installed during LHC Long Shutdown 1 (LS1) to extend the azimuthal coverage of the existing ElectroMagnetic Calorimeter (EMCal) and PHOton Spectrometer (PHOS). The trigger system has been upgraded to account for this new detector configuration. The firmware for the Summary Trigger Unit (STU), which is the electronics of the trigger system, was upgraded to implement a brand new algorithm combining information from the calorimeters. Second, the measurement of the production cross section of charged jets reconstructed with cone resolution parameter $R=0.2$, $0.3$, $0.4$, and $0.6$ in pp collisions at $sqrt{s} = 5.02 mathrm{TeV}$ is outlined. A comparison of the production cross section to LO and Next-Leading-Order (NLO) pQCD predictions is shown. Good agreement of the production cross section with NLO pQCD calculations is found for $10 < p_{mathrm{T},text{jet}}^{text{ch}} < 100 mathrm{GeV}/c$. The measurement of charged jet $v_{2}$ in mid-central (30-50%) Pb-Pb collisions at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ is also presented. The results are compared with a toy-model Glauber simulation based on the measured path-length dependence of jet suppression. Finally, the measurement of charged jet-hadron correlations in mid-central (30-50%) Pb-Pb collisions at $sqrt{s_{mathrm{NN}}} = 5.02 mathrm{TeV}$ with respect to the $2^{nd}$ order event plane is also presented in order to study initial collision geometry dependence of jet modification in Pb-Pb collisions.

The quest to understand how the nucleon spin is decomposed into its constituent quark and gluon spin and orbital angular momentum (OAM) components has been at the forefront of nuclear physics for decades. Due to the non-perturbative nature of Quantum Chromodynamics (QCD) - the theory describing how quarks and gluons bind together to form protons and neutrons - making absolute predictions of nucleon spin structure is generally difficult, especially as a function of its quark and gluon longitudinal momentum fraction x. Measurements involving nucleon spin structure serve as a sensitive test for QCD, including ab-initio lattice QCD calculations due to the advent of the quasi-PDF formalism, and various predictions that diverge at large-x. The neutron spin asymmetry A1n at high-x is a key observable for probing nucleon spin structure. In the valence domain (x > 0.5), sea effects are expected to be negligible, and so the total nucleon spin is considered to be carried by the valence quarks. The valence region can therefore enable us to study the role of quark OAM and other non-perturbative effects of the strong force. A1^n was measured in the deep inelastic scattering region of 0.40 < x < 0.75 and 6 < Q^2 < 10 GeV^2 in Hall C at Jefferson Lab using a 10.4 GeV longitudinally polarized electron beam, upgraded polarized He-3 target, and the High Momentum Spectrometer (HMS) and Super High Momentum Spectrometer (SHMS). E12-06-110 provides the first precision data in the valence quark region above x = 0.60, and its preliminary results proved consistent with earlier data disqualifying a pQCD model that excluded quark OAM. Combined with previous world proton data, the ratio of the polarized-to-unpolarized up quark momentum distribution (∆u + ∆anti-u)/(u + anti-u) remained positive at large-x, and the down quark (∆d + ∆anti-d)/(d + anti-d) remained negative. / Physics

Le modèle standard de la physique des particules décrit la matière constituée de particules élémentaires qui interagissent via les interactions fortes et électrofaibles. Le quark top est le quark le plus lourd décrit par ce modèle et a été découvert en 1995 par les collaborations CDF et DO dans les collisions proton-antipronton du Tevatron. Cette thèse est consacrée à la mesure de la section efficace de production de paire de quarks top par interaction forte, dans un état final contenant un lepton, un tau hadronique, deux jets de b et de l'énergie tranverse manquante. Cette analyse utilise les données collectées entre juillet 2006 et août 2007, soit une luminosité de 1,2 fb-1, qui sont combinées avec les données du Run IIa pour atteindre une luminosité de 2,2 fb-1. Une partie du travail de thèse fut consacrée au système de déclenchement du détecteur D0 et en particulier à l'identification des leptons taus au niveau 3 du système de déclenchement et aux déclenchements basés sur la présence de jets et d'énergie tranverse manquante. La problématique de la résolution en énergie des jets est également abordée, sous l'angle de l'intercalibration en eta du calorimètre hadronique et avec l'utilisation du détecteur de pied de gerbe central dans la définition de l'énergie des jets. La section efficace de production de paires de quark top obtenue est 7,32+1,34-1,24(stat)+1,20-1,06(syst)+-0,45(lumi)pb. Cette mesure est en accord avec les prédictions du modèle standard et permet de contraindre la présence de nouvelle physique, telle que l'existence d'un boson de Higgs plus léger que le quark top. Une limite d'exclusion a ainsi été obtenue dans le plan (tan beta,mH+-) et est présentée dans la dernière partie de ce manuscrit.

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