La matière nucléaire classique se caractérise par des densités d'énergie de l'ordre de " = 0,17 GeV/fm3. Pour des conditions critiques en densité d'énergie 5 -10 " ou en température de 150 - 200 MeV, la chromodynamique quantique (QCD) sur réseau prédit une transition de phase entre la matière nucléaire classique et un nouvel état de la matière : le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) dans lequel les quarks et les gluons seraient déconfinés. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes permettent de créer des conditions thermodynamiques, i.e. un milieu dense et chaud, très favorable à la formation du PQG. Le LHC offre la possibilité de faire des collisions proton-proton et des collisions d'ions lourds à des énergies de plusieurs TeV par nucléon. Les énergies disponibles permettront de tester expérimentalement différents formalismes théoriques de la QCD développés afin de décrire les collisions d'ions lourds dans la limite des hautes énergies. La compréhension des conditions initiales de la collision est obligatoire afin de comprendre l'évolution du système vers un état de PQG. L'un des formalismes les plus discutés depuis ces dernières années qui décrit ces conditions initiales est le Color Glass Condensate (CGC). Il prédit la saturation de la densité partonique au sein des noyaux dans le domaine des petites valeurs de Bjorken-x correspondant à de grandes pseudorapidités. ALICE est l'une des expériences du LHC consacrée à l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes et en particulier à l'analyse des propriétés du PQG. Une des signatures possibles de la création du PQG est la suppression des taux de production des quarkonia (J/ , ) par écrantage de couleur dans un milieu déconfiné. Le spectromètre à muons de l'expérience ALICE permettra de mesurer les taux de production des quarkonia via leur canal de désintégration muonique dans un domaine de pseudorapidité -4 < < -2,5. Les effets de saturation, plus importants à grande pseudorapidité, font du spectromètre à muons d'ALICE un détecteur tout particulièrement approprié pour cette étude. La première partie de ce travail porte sur l'installation et la préparation du spectromètre à muons d'ALICE en vue des premières prises des données. Les tests de l'électronique frontale et des chambres du système de trajectographie du spectromètre à muons conduisent à la conclusion que la station 1 du spectromètre à muons est prête à enregistrer les premières données physiques. La seconde partie présente l'étude du CGC par deux voies expérimentales : la production des saveurs lourdes (charme et beauté) et la multiplicité des particules chargées. Nous montrons que l'état final de la collision est affecté par l'existence du CGC dans l'état initial. Ce travail mène à la conclusion que le LHC permettra une étude de cette nouvelle physique jamais explorée auparavant.

Des informations sur la nouvelle physique peuvent être extraites de plusieurs secteurs indépendants et en particulier : les recherches directes du Higgs et de nouvelles particules aux collisionneurs, qui sont entrées dans une nouvelle ère avec le démarrage du LHC, les informations indirectes des données de physique des saveurs, en utilisant les résultats obtenus aux usines à B et récemment aussi au LHC, et enfin les informations indirectes sur la densité relique de mati ère noire et les recherches directes de mati ère noire, en particulier au vu des résultats récents des expériences XENON, CoGENT, CRESST, ... Combiner les informations des différents secteurs est en effet riche d'implications et permet de réduire l'espace des paramètres des scénarios de nouvelle physique. Nous avons démontré l'existence de telles synergies dans le contexte de la supersymétrie pour différents scénarios contraints ainsi que pour un scénario plus g én éral du MSSM (pMSSM).

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

Les désintégrations B->l l sont supprimées d'hélicité et se produisent à travers des courants neutres changeant la saveur. Elles sont donc extrêmement rares dans le modèle standard (MS). La physique au-delà du MS pourrait donc modifier substantiellement la valeur des rapports d'embranchement prédits par le MS. Ces prédictions étant très précises, mesurer leur valeurs constitue un test incontournable du MS.Les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à l'établissement de la première évidence de la désintégration Bs->mu mu avec LHCb. Une méthode statistique a ete développée pour extraire et combiner les limites sur les rapports d'embranchement et calculer la signifiance des signaux. A partir de ces acquis statistiques, une méthode originale a été conçue pour re-optimiser les catégories dans lesquelles les candidats sont classés améliorant ainsi la sensibilité de l'analyse de 14%. D'autre part, une étude sur la phénoménologie des interférences entre le mélange de saveur des mésons Bs et leur désintégration a mis en évidence une subtile dépendance de l'analyse avec le modèle physique considéré. La prise en compte de cette dépendance permet de contraindre plus fortement la nouvelle physique. Enfin une méthode de reconstruction topologique inclusive des évènements a été développée et testée, notamment pour reconstruire les candidats Bs->tau tau avec tau->pi pi pi nu. / The B->l l decays are helicity suppressed and process through flavour changing neutral currents. They are extremely rare in the standard model (SM). Thus physics beyond SM could modify their branching ratio up to an observable level. As the theoretical predictions are very precise, these modes are golden channels to probe the SM.The works presented in this thesis have contributed to the establishment of the first evidence of the Bs->mu mu decay. A statistical method has been built to extract and combine limits on the decays branching fraction and to compute signals significance. On the basis of this work, an original method was developed to re-optimised the categories used to classified the candidates which improved the analysis sensitivity by 14%. A study of the interplay between the flavour mixing of the Bs and its decay demonstrated that the analysis results are model dependent. Accounting for this dependency allows to improve constraints on new physics. Finally, an inclusive topological reconstruction was developed and tested in particular to reconstruct Bs->tau tau candidates with tau->pi pi pi nu.

La théorie électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg est l'une des plus belles réussites de la théorie des champs ; elle est testée avec une grande précision dans les expériences de physique des particules. Néanmoins, cette théorie souffre de quelques insuffisances en ce sens qu'un certain nombre de paramètres, notamment ceux caractérisant la masse des particules élémentaires, prennent des valeurs peu naturelles au sens de 't Hooft. De surcroît, les forces de gravitation, dont la quantification pose de sérieuses difficultés, ne sont pas prises en compte. L'objet de cette thèse est l'étude de théories d'extension du modèle standard inspirées de la théorie des cordes. Cette étude possède un aspect théorique avec la construction de théories effectives décrivant la dynamique d'objets solitoniques de la théorie des cordes en couplage fort, et offre également une approche plus phénoménologique par l'examen des conséquences, observables à basse énergie, des symétries des théories à haute énergie : ces symétries pourraient par exemple être à l'origine de la hiérarchie de masse des fermions. Il est également montré comment caractériser le vide de la théorie des cordes en couplage fort par les propriétés géométriques de l'espace compactifié, caractérisation conduisant à une solution phénoménologiquement acceptable aux problèmes de l'unification de la gravitation et de la brisure spontanée de la supergravité.

Ce document se concentre sur QCD à basse énergie (en dessous de 1 GeV) où la brisure de la symétrie chirale prend place, expliquant l'existence d'un octet de mésons pseudoscalaires légers (pi,K, eta). La dynamique de ces états est reliée à la manière dont la symétrie chirale est brisée. La hiérarchie de masse particulière des quarks légers permet de considérer (et de comparer) deux limites chirales différentes et intéressantes, avec m_u=m_d=0 et m_s conservé à sa masse physique (N_f=2 saveurs de masse nulle) ou m_u=m_d=m_s=0 (N_f=3 saveurs de masse nulle). Les paramètres d'ordre chiraux associés sont discutés en termes de l'opérateur de Dirac euclidien, soulignant le rôle du déterminant fermionique et des paires de quark étranges dans la mer, et indiquant que les paramètres d'ordre doivent décroître quand on passe de la limite chirale N_f=2 à N_f=3. On étudie ensuite les conséquences de cette suppression pour la théorie effective de QCD à basse énergie, i.e. la théorie chirale des perturbations, en particulier les conditions dans lesquelles les séries chirales sont saturées par leur premier ordre. On montre que les constantes de basse énergie L_4 et L_6, apparaissant au premier ordre sous-dominant, supprimées par la règle de Zweig dans le secteur scalaire mais magnifiées par la grande valeur du quark étrange, jouent un rôle essentiel. Plusieurs sources d'information sont ensuite analysées: une règle de somme reliée à la dépendence du condensat chiral N_f=2 sur la masse du quark étrange indique une variation importante depuis m_s=0 jusqu'à la valeur physique, des simulations sur réseau étudiant la dépendance d'observables pseudoscalaires sur les masses de quarks montrent une suppression des contributions d'ordre dominant par rapport au premier ordre sous-dominant dans les séries chirales, la comparaison des données sur les diffusions pi-pi et pi-K à basse énergie témoigne de différences importantes entre les brisures de symétrie chirale pour N_f=2 et N_f=3 saveurs de masse nulle. Tous ces éléments suggèrent de reprendre soigneusement les hypothèses de convergence généralement posées pour la théorie chirale des perturbations N_f=3, une étude pour laquelle un cadre d'analyse est proposé.

Les désintégrations B+- -> KSpi+pi0 ont été extraites des données enregistrées par le détecteur BABAR auprès de l'accélérateur PEP2 du SLAC et mesurées en mettant en œuvre une analyse en amplitude (analyse de Dalitz). La désintégration recherchée fait partie d une classe de processus susceptibles de mettre en évidence une physique au-delà du modèle standard et du formalisme de Cabibbo, Kobayashi et Maskawa. L'originalité de ce travail réside dans la mise au point d un algorithme d'ajustement des événements utilisant la méthode du maximum de vraisemblance étendue applicable sur un lot non discrétisé. Des outils statistiques et de mathématique appliquée originaux ont été développés pour gérer le faible rapport signal sur bruit d'un canal avec un pi0 dans l état final et auquel une désintégration charmée contribue sans aucun facteur d interdiction. Faute de statistique, la méthode n'atteint pas la sensibilité requise pour tester le modèle standard en mesurant les phases fondamentales. Elle permet par contre de préciser les rapports d embranchement et les asymétries de CP directes des canaux qui contribuent à la désintégration étudiée.

A travers des collisions, il est possible de reproduire un Plasma de Quarks et de Gluons. Dans ce cadre, le détecteur ALICE installé auprès du collisionneur LHC (CERN) est optimisé pour étudier la transition vers cet état hypothétique de la matière. Il est équipé d'un spectromètre mesurant les sondes muoniques (quarkonia, saveurs lourdes...). La première partie de cette thèse présente la méthode calculant l'efficacité du système de trajectographie de ce spectromètre. Les résultats, obtenus par simulation, sont replacés dans le contexte du calcul global d'efficacité. Ceux-ci montrent l'évolution de l'efficacité en fonction des défaillances électroniques probables. Ils établissent que le bon fonctionnement du détecteur implique moins de 90% de canaux défaillants et 85% de cartes dites MANU défaillantes. La deuxième partie présente la mise en place de la méthode dite « Distance Closest Approach », permettant l'identification des muons provenant de particules charmées ou belles. Pour des impulsions transverses pt < 4 GeV/c, la détermination de la contribution des saveurs lourdes (du charme en particulier) au spectre des muons simples impose qu'une soustraction de la décroissance de pions et de kaons soit effectuée. Cette discrimination n'est pas possible trace par trace, le développement d'une méthode alternative de soustraction des hadrons légers a été introduite. La méthode de DCA utilise la distance entre les traces extrapolées dans le plan transverse au vertex primaire et ce vertex. La différence de forme entre les distributions en DCA du signal et du bruit provenant des différentes longueurs de décroissances, liées aux types des particules, autorisera une meilleure séparation permettant ainsi de remonter aux sections efficaces de production du charme et de la beauté.

Ce travail de thèse porte sur l’identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l’échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l’expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d’entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n’ont pas été observés précédemment. Il s’agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l’efficacité de l’outil de séparation π0/γ de l’expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l’étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d’augmenter significativement l’efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L’échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d’événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d’un sous-échantillon à l’autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s’agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0. / This thesis work is about the identification of charmless three-body decays of neutral B mesons with a π0 in the final state (B0d,s → h+h′−π0) through the analysis of a 1.0 fb−1 data sample collected in 2011 by the LHCb experiment at the LHC. Those modes are sensitive to CKM parameters and allow to test Standard Model predictions related to CP violation. Some of them, such as B0 s → K−π+π0 and B0 s → K+K−π0, have not been observed previously. This is the first analysis with energetic π0 in LHCb. To evaluate the detector performance for π0, D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ decays have been selected. This provides a clean and high statistics sample of neutral pions used to study their energy calibration as well as the effectiveness of the π0/γ separation tool of the experiment. Radiative decays are indeed the most dangerous backgrounds for the study of B0 d,s → h+h′−π0 modes. To select B0 d,s → h+h′−π0 events, a dedicated trigger algorithm has been implemented. It complements the standard online selections and significantly improves the efficiency. Offline, obvious backgrounds, mainly from charm decays, are rejected applying simple criteria. The sample is then further purified using a multivariate classifier. At last, information from the ring imaging Cherenkov detectors allows to separate π+π−π0, K±π∓π0 and K+K−π0 final states. A simultaneous fit of the reconstructed B mass spectra in the three subsamples is used to extract the signal yields. It accounts for the different backgrounds remaining as well as for the signal crossfeeds from one subsample to the other. The B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 and B0 s → K+K−π0 contributions are clearly established. This is the first observation of the B0 s → K+K−π0 decay mode.

Bien que l'on ne sache pas (encore) quel phénomène unitarise la diffusion WLWL à l'échelle du TeV, les données indirecte actuelles favorise le boson de Higgs. Etant donné que cette particule scalaire pourrait être aussi lourde que la masse de Planck, comment peut-on expliquer sa légèreté ? La supersymmétrie (SUSY), brisée à l'échelle du TeV, peut effectuer cette stabilisation, et permettre du même coup l'existence de Théories de Grande Unifications (GUTs). Ces SUSY GUTs réalisées dans une dimension supplémentaire compactifiée, peuvent être particulièrement simples. De plus, elles peuvent être prises comme limite basse énergie d'une théorie de cordes. Cette thèse est consacrée à l'étude de tels modèles de SUSY GUTs. Nous avons étudié, développé et étendu certains aspects de la classe de modèle d'Unification Jauge-Higgs, et de la classe de modèle d'Unification Holographique. Différents aspects de la physique basse-énergie ont été étudiés, incluant spectre de masses, physique des saveur, matière noire, et phénoménologie au LHC. / Although one does not know (yet) which phenomenon unitarizes WLWL scattering at the TeV scale, indirect data currently favors the Higgs boson. Since such a scalar particle is susceptible to become as heavy as the Planck mass, how can one explain its lightness ? Supersymmetry (SUSY), broken at the TeV scale, can do this stabilization, providing in the same time models of Grand Uni fied Theories (GUTs). These SUSY GUTs, combined with extra spatial dimensions compacti fied on an interval, can be particularly simple. Moreover they can be seen as the low energy limit of some string theory. This thesis is devoted to the study of such models of SUSY GUTs on flat and warped orbifolds, trying to cover the range from models to experimental constraints. We studied, developed and extended certain aspects of two interesting frameworks of this type: a framework with gauge-Higgs uni fication, and the framework of holographic grand uni fication. We investigated several aspects of the low-energy implications, including mass spectra, flavour constraints, dark matter and LHC phenomenology