Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d’énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd’ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl’expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d’un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield’interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d’appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d’aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l’interaction forte, aux énergies très élevées du LHC. / Quarkonia are meson states whose constituents are a charm or bottom quark and its correspondingantiquark (Q¯Q). The study of the production of such bound states in high-energy hadron collisionsrepresents an important test for the Quantum Chromo-Dynamics. Despite the fact that the quarkoniumsaga has already a 40-year history, the quarkonium production mechanism is still an open issue.Therefore, measurements at the new CERN Large Hadron Collider (LHC) energy regimes are extremelyinteresting.In this thesis, the study of inclusive J/ψ production in proton-proton (pp) collisions at √s = 2.76and 7 TeV, obtained with the ALICE experiment, is presented. J/ψ mesons are measured at forwardrapidity (2.5 < y < 4), down to zero pT, via their decay into muon pairs (μ+μ−).Quarkonium resonances also play an important role in probing the properties of the stronglyinteracting hadronic matter created, at high energy densities, in heavy-ion collisions. Under suchextreme conditions, the created system, according to QCD, undergoes a phase transition from ordinaryhadronic matter to a new state of deconfined quarks and gluons, called Quark Gluon Plasma(QGP). The ALICE experiment at CERN LHC has been specifically designed to study this state ofmatter. Quarkonia, among other probes, represents one of the most promising tools to prove the QGPformation. In order to correctly interpret the measurements of quarkonium production in heavy-ioncollisions, a solid baseline is provided by the analogous results obtained in pp collisions.Hence, the work discussed in this thesis, concerning the inclusive J/ψ production in pp collisions,also provides the necessary reference for the corresponding measurements performed in Pb-Pb collisionswhich were collected, by the ALICE experiment, at the very same center-of-mass energy pernucleon pair (√sNN = 2.76 TeV).

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d'énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl'expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d'un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield'interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d'appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d'aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l'interaction forte, aux énergies très élevées du LHC.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisors: Jerry Hoffmann and C. Fred Moore. Vita. Includes bibliographical references.

La production de photons de grande impulsion transverse lors des collisions proton-proton (p-p), est décrite par la chromodynamique quantique perturbative (pQCD). Parmi ces photons, ceux issus directement d'un processus partonique énergétique (appelés photons directs) sont particulièrement intéressants car leur mesure permet de tester précisément les prédictions de la pQCD et offre la possibilité de mieux contraindre les fonctions de structure du proton. Ce travail de thèse a pour objectif l'étude et la mesure des photons directs produits dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE. Le calorimètre électromagnétique d'ALICE (EMCal), est utilisé pour réaliser cette mesure qui s'appuie notamment sur l'utilisation d'une procédure d'isolement permettant de réduire le bruit de fond provenant des autres modes de production (fragmentation, décroissance). Les aspects relatifs à la qualité des données dans EMCal, à l'identification des photons, mais aussi ceux liés à la correction du spectre ou encore à sa normalisation sont mis en avant. Finalement, la première section efficace de photons isolés mesurée dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE est présentée et comparée avec les prédictions théoriques avant d'être mise en regard avec les résultats issus des autres grandes expériences du LHC.

Le travail présenté dans cette thèse a pour sujet la mesure du seul mécanisme de production électrofaible de quark top qui n'ait pas encore été observé au collisionneur hadronique du CERN (LHC): la voie-s. L'intérêt réside dans la confirmation des prédictions du Modèle Standard, mais le but est aussi de contraindre plusieurs scénarios de nouvelle physique à partir de la combinaison de la section efficace voie-s avec celle des autres canaux de production single top, la voie-t et Wt. Après une introduction générale sur la physique du quark top et les dispositifs expérimentaux visant à la détection et la reconstruction des objets physiques, on présente deux analyses réalisées des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS `a une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Etant donné que la production de quark top en voie-s est caractérisée par une tr`es faible pureté et que, en même temps, elle est défavorisée au LHC puisque elle a lieu par annihilation quark-antiquark, une technique multi variée a été appliquée dans les deux cas afin de discriminer le signal. Pour l' étude à 7 TeV, relatif à une luminosité intégrée de 4.7 $fb^{-1}$, deux classificateurs basés sur des arbres de décision boostés sont entrainés contre les événements de bruits de fond principaux; une coupure appliquée sur un des discriminateurs met en oeuvre une sélection des événements, la distribution issue de l'autre discriminateur est ensuite employée dans un fit de maximum de vraisemblance. Cela permet de d'eriver une limite supérieure sur la section efficace voie-s de 21.5 pb (14.3 pb attendu), correspondant à une portée de 0.6 déviations standard (0.8 attendu). L'analyse à 8 TeV, qui est basée sur une luminosité intégrée de 20.3 $fb^{-1}$, repose sur une strat'egie plus simple: seulement un classificateur BDT est optimisé pour isoler le signal, après une préalable sélection des événements grâce `a de simples coupures. Sa distribution discriminante est ensuite ajustée aux données selon la même approche qu' `a 7 TeV, en considérant les incertitudes systématiques et statistiques pendant la génération de pseudo expériences. La portée de la mesure étant encore inférieure à trois déviations standard (1.5 $sigma$ observé et 1.4 attendu), seule une limite `a 95% C.L. peut être établie sur la section efficace; le résultat correspond `a 15.7 pb (7.9 pb attendu). / The work reported in this thesis is aimed at measuring with the ATLAS detector theonly mechanism of top quark electroweak production which has not yet been observedat the Large Hadron Collider: the s-channel. Its interest relies in the confirmationof the Standard Model predictions but, as well, in the possibility of constraining severalnew physics scenarios when comparing the s-channel cross section with the oneof the other single top production modes (the Wt and t-channel). After a generalintroduction upon top physics and the experimental setup employed for the detectionand the reconstruction of the physics objects, we present two analyses realizedwith proton-proton collisions collected by the ATLAS detector at a center of massenergy of 7 and 8 TeV. Since the s-channel production is characterized by a verylow purity and, at the same time, is not favoured at the LHC because it proceedsvia quark-antiquark annihilation, a multivariate approach is applied in both cases todiscriminate the signal. For the 7 TeV study, based on an integrated luminosity of4.7 fb−1, two boosted decision trees classifiers are optimized against the main sourcesof background; a cut realized on one of such discriminants implements a tight eventselection, after which the second output distribution is used for a maximum likelihoodfit to the data. This allows to set an upper limit on the s-channel cross section of21.5 pb (14.3 pb expected), corresponding to a significance of 0.6 standard deviations(0.8 expected). The 8 TeV analysis, based on an integrated luminosity of 20.3 fb−1,has a simpler strategy: only one boosted decision trees classifier is trained to isolatesignal after a preliminary cut-based selection; its output distribution is then fitted tothe data with the same approach than at 7 TeV, taking into account the systematicand statistical uncertainty via the generation of pseudoexperiments. The significanceof the s-channel measurement being lower than 3 σ (1.3 standard deviation observed,1.4 expected), only a 95% C.L. limit can be set on the cross section; the result ishowever improved and corresponds to 14.6 pb (7.9 pb expected).3

La production de photons de grande impulsion transverse lors des collisions proton-proton (p-p), est décrite par la chromodynamique quantique perturbative (pQCD). Parmi ces photons, ceux issus directement d’un processus partonique énergétique (appelés photons directs) sont particulièrement intéressants car leur mesure permet de tester précisément les prédictions de la pQCD et offre la possibilité de mieux contraindre les fonctions de structure du proton. Ce travail de thèse a pour objectif l’étude et la mesure des photons directs produits dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE. Le calorimètre électromagnétique d’ALICE (EMCal), est utilisé pour réaliser cette mesure qui s’appuie notamment sur l’utilisation d’une procédure d’isolement permettant de réduire le bruit de fond provenant des autres modes de production (fragmentation, décroissance). Les aspects relatifs à la qualité des données dans EMCal, à l’identification des photons, mais aussi ceux liés à la correction du spectre ou encore à sa normalisation sont mis en avant. Finalement, la première section efficace de photons isolés mesurée dans les collisions p-p à 7 TeV avec le détecteur ALICE est présentée et comparée avec les prédictions théoriques avant d’être mise en regard avec les résultats issus des autres grandes expériences du LHC. / The high transverse momentum photon production inproton-proton collisions (p-p) is described by perturbativequantum chromodynamics (pQCD). Among thesephotons, those produced directly by an energetic partonicinteraction (called direct photons) are of great interestsince their measurement allows to test pQCDpredictions and it allows also the constraint of protonstructure functions. The work of this thesis aims atstudying and measuring direct photons produced in p-pcollisions at 7 TeV with the ALICE detector. The ALICEelectromagnetic calorimeter (EMCal) is used to achievethis measurement which is based on an isolation procedurethat allows to reduce background coming fromother photon production modes (fragmentation, decay).Multiple aspects like EMCal data quality, photon identificationas well as spectrum correction and its normalizationare highlighted. Finally, the first isolated promptphoton cross-section measured with ALICE detector ispresented, compared to theoretical predictions and tothe last results from other LHC experiments.

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4$\ll (\ll= e\ mu)$ a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> $\gamma\gamma$. Un nouvel outil de discrimination $\gamma/\pi^i0$ à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des $\pi^0$ produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus $\gamma$+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus $\gamma\gamma+X$ est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> $\gamma\gamma$ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H $\gamma\gamma$ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus $\gamma\gamma$ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination $\gamma/\pi^0$ sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->$\gamma\gamma$ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée.

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) fonctionne depuis 2009 à la frontière franco-suisse. Cet accélérateur de particules a produit des quantités importantes de collisions proton-proton, à des énergies dans le centre de masse de 7 TeV (2010 et 2011), et 8 TeV (depuis avril 2012). L'un des buts de l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS), qui enregistre et analyse ces collisions, est la recherche de bosons de Higgs. Dans le cadre du Modèle Standard, cette particule serait le quantum du champ de Higgs, qui permet d'expliquer le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible. Un canal parmi les plus sensibles pour la recherche d'un boson de Higgs léger (c'est-à-dire pour des masses du boson de Higgs entre 90GeV/c2 et 150GeV/c2) au LHC est la désintégration en deux photons. En effet, la production de deux photons isolés de haute énergie dans l'état final constitue un signal clair en milieu hadronique, malgré le faible rapport d'embranchement. De plus, à ces masses, la largeur du pic en masse invariante reconstruite est dominée par la résolution du détecteur. Une compréhension fine de l'objet photon, tel que reconstruit par l'expérience, est donc un pré requis obligatoire. La première partie de mes travaux de thèse porte sur l'étude des désintégrations radiatives Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ ces désintégrations sont la seule source de photons certifiés de haute pureté du Modèle Standard, pour laquelle l'impulsion transverse des photons est relativement proche de celle prévue pour des photons issus d'un boson de Higgs. L'étude de ces désintégrations a permis la détermination de l'échelle d'énergie différentielle des photons dans les données à 7 TeV. Elles ont également été utilisées dans les données à 8 TeV comme outil de validation des variables de forme de cluster pour les photons dans la simulation, ainsi que pour déterminer l'efficacité des critères de réjection des électrons. La deuxième partie de mes travaux de thèse traite de la recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons. Cette recherche est effectuée en plusieurs classes d'évènements pour améliorer la sensibilité, et l'étude de cette procédure de séparation en classes est présentée. Enfin, une analyse de faisabilité de recherche d'un boson de Higgs se désintégrant en deux photons, produit lors de la désintégration d'un quark vecteur lourd à 14 TeV a été effectuée / The Large Hadron Collider (LHC) at CERN (European Organisation for Nuclear Research) has been in operation since 2009 at the border between France and Switzerland. This particle accelerator has provided a significant quantity of proton-proton collisions, at center of mass energies of 7 TeV (2010 and 2011) and 8 TeV (since April 2012). One of the purposes of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment, which records and analyses those collisions, is the search for Higgs bosons. In the Standard Model, this particle would be the quantum of the Higgs field, thought to explain the electroweak symmetry-breaking mechanism. One of the most sensitive channels for the search for a light Higgs boson (i.e. for masses between 90 GeV=c2 and 150 GeV=c2) at the LHC is through its decay into two photons. Indeed, the production of two highly energetic and isolated photons in the final state is a clean signal in hadronic collisions, despite the small branching ratio. Moreover, at these masses, the width of the reconstructed invariant mass peak is dominated by the detector resolution. Hence, a precise understanding of the photon object as reconstructed by the experiment is required. The first part of the work presented here is the study of radiative decays Z$^0 \rightarrow \mu\mu\gamma$ these decays are the only Standard Model source of high purity certified photons, for which the transverse momentum of the photon is relatively similar to the one of the photons coming from a Higgs boson decay. The study of these decays enables the determination of the differential photon energy scale in the 7 TeV data. These decays have also been used in the 8 TeV data as a validation tool of photon cluster shape variables in the simulation, and also as a way to determine the electron rejection criteria efficiency. The second part of the work concerns the search for a Higgs boson decaying into two photons. This search is done in several event classes in order to increase the sensitivity of the analysis, the study of the class separation procedure is presented. Finally, a benchmark study for the search for a Higgs boson decaying into two photons via vector-like top-partner decays at 14 TeV has been performed

L'étude de la production des quarks charmés dans les collisions de hautes énergies de noyaux atomiques offre une approche inédite pour l'étude du plasma de quarks et de gluons. La compréhension et la caractérisation de cet état de la matière déconfinée, de prime abord retrouvé dans les systèmes les plus lourds, nécessitent une connaissance fine des systèmes les plus légers, telles que les collisions proton-proton (pp) et proton-plomb (p-Pb). Dans ce manuscrit, nous présentons la mesure de la production des mésons charmés-étranges Ds+, à rapidité centrale, avec les données du run 2 du LHC, recueillies en 2016 par l'expérience ALICE. Deux systèmes sont étudiés : les collisions pp à √s=13 TeV et p-Pb à √sNN=5,02 TeV. La section efficace de production des Ds+, leur abondance relative et leur facteur de modification nucléaire sont mesurés puis comparés à d'autres mesures et à diverses prédictions théoriques. Le résultat p-Pb établit une nouvelle référence pour l'étude des collisions Pb-Pb. / The study of the production of charm quarks in high-energy atomic-nucleus collisions offers an genuine approach for the study of the quark-gluon plasma. The understanding and characterisation of this state of deconfined-matter, at first sight created in heaviest systems, require a fine knowledge of lightest systems, such as proton-proton (pp) and proton-lead (p-Pb) collisions. In this manuscript, we present the measurement of the charm-strange mesons Ds+ production, at central rapidity, with the LHC run 2 data, collected in 2016 with the ALICE experiment. Two systems are studied: pp collisions at √s=13 TeV and p-Pb collisions at √sNN=5.02 TeV. The production cross-section of Ds+, their relative abundance and their nuclear modification factor are measured then compared to other measurements and to various theoretical predictions. The p-Pb result establishes a new reference for the study of Pb-Pb collisions.