Le modèle de Skyrme est une théorie des champs classique non-linéaire qui possède des solitons topologiques comme solutions. De façon innovatrice, ces solutions sont utilisées par Skyrme pour décrire les baryons. Ceci est justifié puisque le modèle est une théorie efficace de la chromodynamique quantique à basse énergie et puisque les solutions possèdent un nombre topologique conservé qu'on associe au nombre baryonique. Le modèle original permet de décrire les propriétés des nucléons avec une précision de 30% ou mieux, mais a de la difficulté à reproduire les caractéristiques des baryons de masse élevé. En effet, l'énergie de liaison des multi-skyrmions est très grande et les densités baryonique possèdent des structures spatiales complexes et de type coquille ce qui s'éloignent des observations expérimentales. On propose alors une extension du modèle afin d'améliorer précisément les deux problèmes précédents. Ce travail introduit le modèle de Skyrme quasi-BPS dont les solutions analytiques saturent presque la borne de Bogomol'nyi améliorant les prédictions de l'énergie de liaison des multi-skyrmions. Le choix d'un potentiel permettant d'obtenir des densités baryonique de configurations pleines et l'ajout de l'énergie de Coulomb et de brisure de symétrie d'isospin à la masse du skyrmion sont les contributions originales de ce travail. Ceci permet d'obtenir des meilleurs prédictions physiques pour les multi-skyrmions de nombre baryonique très élevé que dans le modèle original et l'analyticité des solutions en simplifie le traitement. Pour ces raisons, le modèle de Skyrme quasi-BPS s'avère une bonne théorie efficace pour la descriptions des noyaux atomiques.

La recherche d’une théorie décrivant les états de hadrons à basse énergie est primordial pour la compréhension complète de la chromodynamique quantique. Dans ce domaine, les théories de Skyrme sont encore reconnues comme d’excellentes candidates. Existant depuis plus de soixante ans, plusieurs extensions ont été proposées et une d’entre elles fera l’objet de ce mémoire : l’extension quasi-BPS (Bogomol’nyi-Prasad-Sommerfield). L’énergie classique des configurations de ce modèle BPS est près de saturer une certaine borne qui assure que les états de la théorie ne seront presque pas liés, ce qui se rapproche grandement de l’observation expérimentale. La possibilité de réintroduire une énergie de liaison par l’ajout de perturbations ainsi que diverses contributions énergétiques ressortant de la quantification des états sera examinée. Nous verrons que cette approche est prometteuse, puisqu’elle permet d’obtenir des prédictions convaincantes sur la majorité des caractéristiques des noyaux atomiques.

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.

Depuis les années 1930, on sait que le noyau des atomes est composé de deux types de particules: les protons et les neutrons. Ces deux particules sont très similaires: d'une part le neutron est subtilement plus lourd (un pour mille) que le proton et d'autre part le proton porte une charge électrique positive tandis que le neutron est neutre. La petite différence de masse entre le neutron et le proton fourni l'énergie suffisante pour autoriser désintégration où un neutron se désintègre en un proton en émettant un électron et un anti-neutrino électronique. Aussi, le fait que le proton ne se désintègre pas assure la stabilité de l'atome d'hydrogène. De plus, on sait empiriquement que les paramètres de la désintégration déterminent la composition des noyaux d'atomes stables plus lourds que l'hydrogène. Il est donc raisonnable de penser que si la différence de masse entre le neutron et le proton était de signe opposé ou seulement légèrement différente, l'Univers visible serait surement très différent de celui que l'on connait. Il est donc essentiel de comprendre l'origine de cette différence de masse à partir des principes premiers de la physique. C'est à ce problème, et à des problèmes liés à celui-ci, qu'essaye de répondre ce travail. Dans la compréhension actuelle de la physique, les neutrons et les protons sont des particules composées de particules élémentaires appelées quark up (symbole u) et quark down (symbole d). Le proton est un état lié uud et le neutron est un état lié udd. Les quarks up et down sont deux particules similaires: elles sont toutes deux légères (de l'ordre de quelques MeV) et leurs charges électriques sont différentes. / .

Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules scalaires octets de couleur dans les données de l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Pour une large gamme de masse, la désintégration de ces scalaires en deux partons du MS domine. Cela motive la recherche de ces nouveaux scalaires dans des états finaux multijet, où ils se signaleraient comme des résonances dijet. Comme les nouveaux scalaires sont produits par paires, un état final contenant au moins quatre jets est utilisé comme environnement de recherche. Une méthode est développée pour extraire une possible résonance multijet scalaire du grand fond QCD et est utilisée pour chercher de tels scalaires dans les données de l'expérience ATLAS collectées en 2010 et 2011. Les données sont en accord avec l'estimation du fond et des limites sont posées sur la section efficace de production des scalaires en fonction de leur masse. En interprétant ces limites dans des modèles de supersymétrie, le gluon scalaire du MRSSM et du modèle hybride N=1/N=2 est exclu à 95 % CL entre 100 et 287 GeV. Les limites sont aussi interprétées dans un modèle de symétrie de jauge à la QCD, où le sgluon est remplacé par l'hyperpion qui est exclu dans une gamme de masse légèrement plus restreinte de part sa section efficace plus faible. / This thesis describes the search for new color-octet scalar particles in the ATLAS experiment data at the Large Hadron Collider (LHC). For a wide range of mass, the decay of the scalar to two SM partons dominates. This motivates the search for these new scalars in multijet final states, where they would manifest as dijet resonances. As the new scalars are products in pairs, a final state containing at least four jets is used as a search environment. A method is developed to extract a possible scalar resonance from the multijet QCD background and is used to search for such scalar in the data from the ATLAS experiment collected in 2010 and 2011. The data are in agreement with the estimation of the background and limits are set on the scalar production cross section as a function of the scalar mass. Interpreting these limits in models of supersymmetry, the scalar gluon of the MRSSM and of the hybrid N=1/N=2 model is excluded at the 95 % CL between 100 and 287 GeV. Limits are also interpreted in a model of gauge symmetry à la QCD, where the sgluon is replaced by the hyperpion excluded in a mass range slightly smaller because of its smaller cross section.

Le sujet de cette thèse est le calcul ab initio de masses en QCD sur réseau.Dans la première partie on reconstruit le spectre des hadrons légers de la QCD. En utilisant une action de jauge de Lüscher-Weisz et une action fermionique de Wilson clover qui couplent par le biais de liens ayant subi six étapes de smearing stout, on extrait les masses de hadrons légers dans simulations à $N_f=2+1$ saveurs. Ces masses sont en accord avec l'expérience avec une précision de l'ordre de quelques pourcents et tous les erreurs systématiques sont contrôlées.Dans la seconde partie, on détermine les masses de quarks légers. L'action est la même que précédement mais on utilise deux étapes de smearing hex. Les simulations sont réalisées à la masse du pion et on utilise cinq réseaux pour prendre la limite du continu, éliminant de ce fait une grande source d'erreur systématique. La renormalisation est effectuée à la Rome-Southampton pour ne pas induire d'incertitudes dues à la théorie des perturbations. On obtient ainsi les premiers résultats au point physique atteignant une précision inférieure à 5%. / The main topic of this thesis is the computation ab initio of masses from lattice QCD.In the first part, the light hadron spectrum is computed. Thanks to a Lüscher-Weisz gauge action and a clover Wilson action describing with the quarks with six levels of stout-smearing, light hadron masses are extracted from simulations with $N_f=2+1$ flavors. These masses agree with experiment with a few percent accuracy and all the systematic errors are under control.In the second part, the light quark masses are determined. We use the same action as previously but with two levels of hex smearing. The simulations are done at the physical point mass and five lattice spacings are used to take a safe conitnuum limit, thus eliminating a higher source of systematice incertitude. Renormalization is perfo,rmed non perturbatively à la Rome-Southampton, thereby suppressing perturbative errors. We obtain in this work the first full non perturbative resultats at the physical point with a high accuracy since we obtain an error of about 5%.

Nous introduisons un formalisme adéquat pour étudier les collisions hadroniques dans la limite de haute énergie en chromodynamique quantique (QCD), et la transition vers le régime de saturation. Dans ce formalisme, nous redérivons les résultats connus nécessaires pour présenter nos recherches personnelles, et nous calculons différentes sections efficaces dans le contexte de la diffraction dure et de la production de particules. Nous étudions la transition vers le régime de saturation dans le cadre de l'équation BK; en particulier, nous dérivons certaines propriétés de ses solutions. Nous appliquons nos résultats à la diffusion profondément inélastique et nous montrons que, dans le domaine d'énergie du collisionneur HERA, les prédictions de la QCD à haute énergie sont en bon accord avec les données. Nous considérons aussi la production de jets dans les collisions hadroniques et discutons des possibilités de tester la saturation au LHC.

When hadrons scatter at high energies, strong color fields, whose dynamics is described by quantum chromodynamics (QCD), are generated at the interaction point. If one represents these fields in terms of partons (quarks and gluons), the average number densities of the latter saturate at ultrahigh energies. At that point, nonlinear effects become predominant in the dynamical equations. The hadronic states that one gets in this regime of QCD are generically called "color glass condensates". Our understanding of scattering in QCD has benefited from recent progress in statistical and mathematical physics. The evolution of hadronic scattering amplitudes at fixed impact parameter in the regime where nonlinear parton saturation effects become sizable was shown to be similar to the time evolution of a system of classical particles undergoing reaction-diffusion processes. The dynamics of such a system is essentially governed by equations in the universality class of the stochastic Fisher-Kolmogorov-Petrovsky-Piscounov equation, which is a stochastic nonlinear partial differential equation. Realizations of that kind of equations (that is, "events" in a particle physics language) have the form of noisy traveling waves. Universal properties of the latter can be taken over to scattering amplitudes in QCD. This review provides an introduction to the basic methods of statistical physics useful in QCD, and summarizes the correspondence between these two fields and its theoretical and phenomenological implications.

Le proton est un objet composite, constitué d'une collection de partons, quarks et gluons, qui interagissent selon les lois de la chromodynamique quantique (QCD). Dans cette thèse, on expose une formulation hamiltonienne de cette théorie dans le repère du cône de lumière.<br /><br />On retrouve dans ce cadre les équations d'évolution des partons en impulsion transverse (équation DGLAP), et longitudinale (équation BFKL). Cette dernière se présente ici sous la forme du modèle des dipôles de couleur. On transpose dans ce formalisme l'ensemble des calculs nécessaires à nos recherches personnelles, portant sur le développement et les applications du modèle des dipôles.<br /><br />Ce modèle est ajusté aux données expérimentales d'HERA pour les fonctions de structure inclusives, qui sont reliées aux sections efficaces d'interaction électron-proton. La contribution à celles-ci de la production de particules charmées est prédite, en bon accord avec l'expérience. D'autre part, l'importance phénoménologique de certaines composantes sous-dominantes de l'équation BFKL (de spin conforme non nul), qui apparaissent comme solutions des équations d'évolution, est démontrée: on compare leur effet à celui du poméron mou de Donnachie-Landshoff.<br /><br />On montre sur des observables particulières l'équivalence entre la formulation hamiltonienne et une formulation covariante de la QCD, et on l'applique à la détermination de la densité effective de dipôles primordiaux à l'origine d'un jet vers l'avant qui se matérialise quelquefois dans l'état final d'une réaction de diffusion profondément inélastique ou d'une diffusion de protons.<br /><br />Enfin, le processus de diffraction dure, plus exclusif, est considéré dans l'approche BFKL. Sur le plan phénoménologique, une étude des données des expériences d'HERA dans le cadre du modèle des dipôles est présentée. Sur le plan théorique, le calcul des composantes de spin conforme non nul de l'équation BFKL pour la production diffractive de photons est effectué.

Le sujet de cette thèse sont les amplitudes d'hélicités de la leptoproduction exclusive et diffractive du méson rho dans la limite de Regge perturbative et au-delà du twist dominant. La compréhension de pareils processus exclusifs en termes des constituants élémentaires de QCD est un important défi pour comprendre la structure des hadrons. On présente ici deux nouveaux modèles phénoménologiques basés sur la kT-factorisation des amplitudes d'hélicités en un facteur d'impact γ*(λ) → ρ(λ'), où λ et λ' dénotent les polarisations du photon virtuel et du méson rho, et le facteur d'impact du nucléon cible. Les facteurs d'impacts γ*(λ) → ρ(λ') sont calculés en utilisant la factorisation colinéaire pour séparer la partie molle du méson rho. Le premier modèle est obtenu en combinant les résultats respectivement de twist 2 et twist 3 des facteurs d'impacts où les deux polarisations sont longitudinales ou transverses, avec un modèle pour le facteur d'impact du nucléon et un modèle pour les distributions d'amplitudes du méson rho. Dans la seconde approche présentée dans cette thèse, on calcule ces facteurs d'impacts dans l'espace des paramètres d'impacts et on montre que l'amplitude de diffusion d'un dipôle de couleur avec le nucléon se factorise, permettant de combiner nos résultats avec un modèle de section efficace de dipôle. On obtient en très bon accord avec les données de H1 et ZEUS pour des virtualités plus grandes que quelques GeV. Nous discutons les résultats obtenus et les comparons à d'autres modèles existants.