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

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.

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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