Le spectromètre à muons du détecteur ALICE, installé au LHC, est dédié à la mesure des quarkonia (J/psi et upsilon) et des saveurs lourdes ouvertes qui se désintègrent en muons. Un grand nombre d'étapes (R&D, simulation et construction) ont été nécessaires pour réaliser les systèmes de tracking et de trigger du spectromètre. Les prises de données sont actuellement en cours. Ce document présente mes activités de recherche durant l'évolution du projet.

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.

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Le LHC est un collisionneur de protons d'une énergie de 14 TeV dans le centre de masse situé au CERN. Les premières collisions sont attendues à l'automne 2009. L'expérience ATLAS est l'une des deux expériences généralistes installées auprès du LHC. L'énergie disponible et la haute luminosité du LHC permettront à ATLAS de rechercher le boson de Higgs ainsi que les nouvelles particules prédites par les modèles de physique au-delà du modèle standard. Les muons occupent une place importante pour les mesures du modèle standard ainsi que pour la recherche de nouvelle physique. Cette thèse étudie la recherche directe de Z' se désintégrant en une paire de muons. Un petit nombre d'événements suffit pour découvrir un Z' ce qui est envisageable dès les premières collectes de données. On y étudiera notamment les effets de l'alignement du spectromètre à muons sur des traces de haut pT et sur le potentiel de découverte de Z' de l'expérience ATLAS. Cette analyse s'inscrivant dans le cadre du démarrage du LHC, l'alignement du spectromètre à muons n'aura pas atteint les performances nominales. Des muons de hauts pT ont été utilisés pour estimer l'impact d'un alignement dégradé sur la reconstruction de traces. Les comparaisons ont été faites en terme d'efficacité de reconstruction, de résolution en impulsion et en masse invariante, d'identification de la charge et de sensibilité à la découverte ou à l'exclusion. Pour les premières données du LHC une analyse avec le spectromètre seul est nécessaire. Enfin, une étude complète pour déterminer la géométrie initiale du spectromètre à muons en utilisant des traces sans champ magnétique toroïdal a été menée.

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.

La QCD sur réseau prédit la transition d'une phase hadronique vers le Plasma de Quarks et Gluons (PQG) pour des températures au-dessus de 10^{13} K. Pour le recréer en laboratoire, des collisions d'ions lourds ont été proposées. Dans cette optique, le LHC produira des collisions Pb-Pb à 5.5 TeV/u, qui seront étudiées notamment auprès de l'expérience ALICE. En particulier, son spectromètre à muons permettra d'examiner les sondes muoniques (quarkonia, beauté ouverte, ...). Les performances attendues de ce dispositif pour mesurer des muons et des dimuons sont ici discutées. Des techniques de factorisation sont employées pour différencier les contributions à l'efficacité globale. Les résultats indiquent que le détecteur devrait être capable de mesurer des muons jusqu'à pt~100 GeV/c avec une résolution proche de 10%. On montre que la production des bosons faibles pourra être mesurée pour la première fois dans des collisions d'ions lourds. Les distributions de muons simples en pt et de la masse invariante des dimuons sonderont le W et le Z. Comme les muons issus des décroissances de quarks b et c peupleront principalement le domaine intermédiare en pt de 5-25 GeV/c, les calculs de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu indiquent que le spectre devrait être supprimé d'un facteur 2-4 dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV. Néanmoins, pour pt > 35 GeV/c la production des bosons faibles predomine, et aucune suppression n'est attendue. Des estimations indiquent que le point de croisement entre des muons issus de b et de W diminuera en pt de 5 à 7 GeV/c dans les collisions Pb-Pb les plus centrales 0-10% à 5.5 TeV.

La production hadronique des Quarkonia est un puzzle de longue date, qui teste la capacité des physiciens des particules à décrire les interactions de couleur. Même si la structure de la chromodynamique quantique (QCD) est bien définie et inspirée par l'électrodynamique quantique (QED), les différences par rapport à cette dernière rendent très difficile la description théorique des propriétés des hadrons.Un grand nombre de modèles et de théories effectives des champs ont été proposés pour décrire la production de quarkonia lourds, mais aucune n'a réussi à prédire, de façon fiable, différentes observables. En particulier, la QCD non relativiste (NRQCD) est arrivée à décrire les sections efficaces des quarkonia au Tevatron, mais a failli pour la prédiction du degré de polarisation du J/psi. Par contre, le modèle singulet de couleur (CSM: Color Singlet Model) présentait des résultats légèrement meilleurs du coté de la polarisation mais avait des problèmes avec la normalisation et la forme des sections efficaces différentielles.Le démarrage du LHC au CERN est une excellente opportunité expérimentale pour résoudre ces problèmes. En effet le saut en énergie, par rapport au Tevatron, permet d'avoir des sections efficaces de quarks lourds bien plus élevées que dans le passé, de plus les performances excellentes des expériences LHC nous permettent de procéder à des analyses difficiles.ALICE est l'expérience du LHC dédiée à l'étude de la matière dense et chaude produite dans les collisions d'ions lourds ultra-relativistes : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Pendant les deux premières années de prises de données, elle a montré des performances excellentes pour la détection des J/psi, aussi bien en collisions PbPb qu'en collisions pp.Dans cette thèse est présenté la mesure de la polarisation de J/psi inclusif, produits dans les collisions pp à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. L'analyse a été effectuée sur presque 80% de la statistique recueillie par le spectromètre à muons d'ALICE en 2010. Elle a été basée sur l'extraction de la distribution angulaire des muons provenant de la désintégration du J/psi.Les résultats obtenus par cette étude représentent la première mesure de la polarisation des quarkonia au LHC et offrent la possibilité de tester les modèles théoriques dans un régime d'énergie plus de trois fois supérieur à celui du Tevatron.Une première comparaison avec les derniers calculs théoriques est également présentée dans cette thèse.

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L'expérience ALICE est une des quatre grandes expériences fonctionnant auprès du LHC au CERN et dont le but principal est l'étude du plasma de quarks et de gluons (ou QGP) produit dans les collisions d'ions lourds. Une des observables privilégiées pour sonder le QGP est la production des quarkonia lourds qui doit être modifiée dans les collisions d'ions lourds comparées aux collisions pp. L'intérêt des quarkonia n'est pas limité aux collisions d'ions lourds puisque leur mécanisme de production dans les collisions pp n'est pas encore très bien compris. Le but de ce travail de thèse est l'estimation de la section efficace de production des Υ(nS) en collision pp à une énergie de s = 7 TeV à l'aide du canal de désintégration en dimuon avec le spectromètre à muons de l'expérience ALICE. Le spectromètre à muons dans ALICE est situé à grande rapidité −4 < y < −2.5. Il consiste en un système d'absorbeurs, un dipôle chaud, des stations de trajectographie et de déclenchement. Ce travail de thèse décrit une contribution au logiciel de contrôle en ligne (online monitoring) du système de déclenchement des muons qui a été développé dans un esprit d'efficacité. Une partie des données enregistrées en 2010 a été analysée pour estimer la section efficace de production du Υ. La section efficace de production du J/ψ publiée par ALICE à la même énergie est exploitée par la méthode d'estimation. Le résultat préliminaire obtenu dans l'intervalle en rapidité 2.5 < y < 4 est σΥ(1S) × BΥ(1S)→µ+µ− =0.62 ± 0.38(stat.) ±00..1221 (syst.) nb par unité de rapidité.

La théorie de la chromodynamique quantique prédit l'existence d'un état déconfiné de la matière appelé Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Expérimentalement, la formation d'un PQG est attendue sous les conditions extrêmes de température et de densité atteintes lors de collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Afin d'observer et de caractériser de manière indirecte un tel état de la matière, de nombreuses observables ont été proposées. En particulier, les phénomènes de suppression et de(re)combinaison du meson J/Ψ dans le PQG sont intensément étudiés. Cette thèse présente l'analyse de la production inclusive de J/Ψ dans les collisions Pb-Pb, à une énergie dans le centre de masse √sNN = 2,76 TeV, détectés avec le spectromètre à muons de l'expérience ALICE au LHC. A partir de la statistique élevée d'événements collectés lors de la prise de données de 2011, le facteur de modification nucléaire du J/Ψ a été mesuré en fonction de son impulsion transverse, de sa rapidité et de la centralité de la collision. L'impulsion transverse moyenne du J/Ψ a également été mesurée en fonction de la centralité. Les prédictions des modèles théoriques, incluant tous une contribution de (re)combinaison, présentent un bon accord avec les données. Enfin, un excès de J/Ψ de très faible impulsion transverse (<300 MeV/c) par rapport à la production hadronique attendue a été observé pour la première fois.