Apresento as investigações realizadas durante estes quatro anos de doutorado no Grupo de Fenomenologia de Partículas de Altas Energias (GFPAE). Foi desenvolvido um estudo teórico/fenomenológico baseado em QCD perturbativa para processos difrativos em colisões hadrônicas e nucleares, considerando diferentes estados finais como observáveis. Este estudo tem como ponto principal a aplicação das chamadas correções de múltiplos espalhamentos de Pomerons no modelo de Ingelman-Schlein, e desta forma, fazer predições para a taxa de produção difrativa de vários tipos de partículas. Temos como ponto inicial o estudo dos eventos de espalhamento profundamente inelástico (DIS), onde a colisão lépton-próton permite estudar o conteúdo de pártons na estrutura interna dos nucleons. Estes processos são verificados no colisor HERA, dando excelentes informações sobre a subestrutura do próton. No caso de colisões hadrônicas, existe uma ampla variedade de partículas de interesse no estado final, e neste trabalho, apresento resultados para a produção difrativa de quarks pesados, quarkonia e o bóson de Higgs. O estudo fenomenológico desses processos é fundamental para entendermos como os hádrons são constituídos, além de como podemos descrever o Pomeron (partícula virtual portadora dos números quânticos do vácuo), servindo também como base para os experimentos desenvolverem seus aparatos e formas de medidas. Os processos difrativos possuem um sinal de fácil detecção no experimento, tendo como principal característica a verificação de uma região do detector onde nenhuma partícula ´e encontrada, região esta chamada lacuna de rapidez. O formalismo de Ingelman-Schlein (IS) é considerado para estudar o processo difrativo. Nele, o Pomeron ´e o responsável pela origem dessa lacuna, com o mesmo possuindo subestrutura. Desta forma, utilizo uma recente função para a distribuição de pártons no Pomeron, bem como o fator de probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez (correções de múltiplos espalhamentos). Realizamos então estimativas teóricas para a taxa de produção difrativa de J/ , _, c¯c, b¯b e Higgs em colisões hadrônicas, com energias de centro de massa ps para o Large Hadron Collidr (LHC) de ps = 14 TeV, sendo que também foi realizado o estudo de produção de quarks pesados para colisões nucleares, no caso Chumbo-Chumbo (Pb-Pb) e Cálcio-Cálcio (Ca-Ca), com energias de psPb−Pb = 5.5 TeV e psCa−Ca = 6.3 TeV respectivamente, para os processos de difração simples e central. Os resultados obtidos são os primeiros na literatura a considerar a aplicação do modelo Ingelman-Schlein com correções para os observáveis citados em energias de LHC. As estimativas para a razão difrativa de produção de tais observáveis servem como uma ferramenta teórica para futura verificação e comparação com os dados a serem extraídos do colisor LHC, tendo como consequência a confirmação da validade do formalismo empregado para processos de difração dura (escala típica maior que 1 GeV) na região de altas energias. / An theoretical/phenomenological study was developed based on perturbative QCD for diffractive processes in nuclear and hadronic collisions, considering different final states as observables. This study had as main goal the application of the Pomeron Multiple Scattering corrections to the Ingelman-Schlein model, and in this way, obtaining predictions for the rate of diffractive production for several produced particles. We begin studying events of Deep Inelastic Scattering (DIS), where the lepton-proton collisions allow to verify the parton content of inner structure of the nucleons. These processes are currently studied at HERA collider, giving excelent information about the proton substructure. In the hadronic collisions, there is a huge variety of particles that can be of interest in the final state, and in this work we present results for the diffractive production of heavy quarks, quarkonia and Higgs boson. The phenomenological study of these processes is fundamental to understand how the hadrons are constituted and how we can describe the Pomeron (a virtual particle that carries the vacuum quantum numbers), being as well as a baseline to the that experiments develop their apparatus and measurements. The diffractive processes have a signal easy to be detected in the experiment, with the main characteristic being the verification of a region in the detector where low multiplicity of particles is found, this called rapidity gap. The Ingelman-Schlein (IS) formalism is considered to study the diffractive process. In this formalism, the Pomeron is responsible by the gap, with this particle having substructure. In this content, recent parton distribution functions for the Pomeron are considered, as well as the gap survival probability factor (multiple scattering corrections) are taken into account. Theoretical estimates are made for the rates of diffractive production of J/ , , c¯c, b¯b and Higgs in hadronic collisions, for the center-of-mass energy ps = 14 TeV that is the LHC energy. A study of single and central diffraction heavy quarks production in nuclear collisions was made for Lead-Lead (Pb-Pb) and Calcium-Calcium (Ca-Ca) collisions, both for LHC energies. The results obtained consider the Ingelman-Schlein application with corrections for the referred observables in the LHC energies. The estimations for the diffractive ratio for the production of these observables could be a theoretical tool for future investigations and comparison to experimental data, testing the validity of the formalism considered for hard diffraction processes (high momentum) in the high energy region.

Neste trabalho, realizamos um estudo sobre a produção de gluínos no LHC. Os gluínos são partículas de Majorana, e sua existência é predita pelos modelos supersimétricos de física de partículas, como o MSSM. Inicialmente, motivamos o estudo sobre supersimetria mostrando algumas soluções de problemas usando esta teoria e que não são possíveis de explicar a partir do Modelo Padrão de física de partículas. Trabalhamos também os conceitos fundamentais para a construção de extensões supersimétricas, como a definição de superespaço e supercampos. Com a introdução do conceito de supercampos, mostramos que o espectro de partículas do Modelo Padrão é duplicado, com a inclusão dos parceiros supersimétricos aos campos usuais. Demonstramos como são construídos dois importantes exemplos de teorias supersimétricas, a Eletrodinâmica Quântica Supersimétrica (super QED ou SQED), e a Cromodinâmica Quântica Supersimétrica (super QCD ou SQCD). Para isso, construímos as lagrangeanas destas teorias e obtivemos as regras de Feynman, em ordem dominante (LO), para os principais vértices da SQED e SQCD. Mostramos também como são introduzidos os superparceiros das partículas usuais da QED, ou seja, o selétron (superparceiro do elétron) e o fotino (superparceiro do fóton), e da QCD, ou seja, o squark (superparceiro do quark) e o gluíno (superparceiro do glúon). Como o fotino e o gluínos são partículas de Majorana, mostramos um conjunto de regras que tratam de partículas de Majorana e de Dirac de forma simples e análoga. Com estas regras, vimos como é possível fazer os cálculos para espalhamentos do tipo e−e+ → ˜γ˜γ e para os canais básicos da produção de gluínos a partir de colisões próton-próton (pp). Na última parte do trabalho, analisamos a produção de gluínos em colisões pp, bem como em colisões próton-núcleo (pA) e núcleo-núcleo (AA) no LHC, onde obtivemos que, em colisões nucleares, a produção de gluínos pode ser enaltecida ou suprimida dependendo da magnitude dos efeitos nucleares, e do cenário para quebra de SUSY. / In this work we perform a study about gluino production at the LHC. The gluinos are Majorana particles and their existence is predicted by supersymmetric models of particle physics, such as the MSSM. Initially, we motivate the study about supersymmetry by showing how it solves some problems that could not be explained by the Standard Model of particle physics. We also work the fundamental concepts such as the definition of superspace and superfields in order to construct supersymmetric extensions. With the introduction of superfields, we show that the particle spectrum of the Standard Model is duplicated, with the inclusion of the supersymmetric partners of usual fields. We demonstrate how to build two important examples of supersymmetric theories, namely the Supersymmetric Quantum Electrodynamics (super QED or SQED), and the Supersymmetric Quantum Chromodynamics (super QCD or SQCD). To do this, we build the lagrangians of these theories and obtain the Feynman rules, in leading order (LO), of the main vertices of SQED and SQCD. We also show how to introduce the superpartners of the usual particles - in SQED, one has the seletron (eletron superpartner) and the photino (photon superpartner), and in SQCD, one has the squark (quark superpartner) and the gluino (gluon superpartner). Since the photino and the gluino are Majorana particles, we show a set of rules that deal with Majorana and Dirac particles in a simple and analogous way. By using these rules, we make a full calculation of the processes e−e+ → ˜γ˜γ and of the basic channels of gluino production in proton-proton (pp) collisions. In the last part of this work, we analyse the gluino production in proton-proton, protonnucleus (pA) and nucleus-nucleus (AA) collisions at the LHC, and show that in the collisions involving nuclei, the production of gluinos might be enhanced or suppressed depending on the magnitude of the nuclear effects and on the scenarios for the SUSY breaking mechanism.

Estuda-se a influência da vida média de estados-furo internos oriundos de espalhamento nuclear quase-livre, sobre as distribuições de momentum correspondentes. A equação de Schrödinger para estados ligados sob a ação de potenciais complexos é transformada em um sistema equivalente (parte real e parte imaginário) e um método de aproximações sucessivasé utilizado para resolver o problema. O método iterativo proposto é aplicado a estados-furo 1s em núcleos de camadas 1p e 2s-1d, simulando a interação imaginária com potenciais proporcionais a densidades de probabilidade de posição das partículas nucleares menos ligadas do que o estado-furo e com potenciais que representem efeitos limites superficiais e de agregação central. Os resultados obtidos mostram que a influência da largura dos estados-furo sobre as distribuições de momentum é fortemente dependente de modelo. / The influence of the lifetime of internai hole-states resulting from nuclear quasi-fres scattering on the corresponding momentum distributions is studied. The Schredinger equation for bound states, with a complex potential, is transformed into an equivalent system (real and imaginary parts) and a method of successive approximations is used to solve the system. The proposed iterative method is applied to 1s hole-states in 1p and 2s-1d shell nuclei, simulating the imaginary interaction by potentials proportional to position probability densities of nuclear particles less bound than the hole-state and with potentials that represent mainly superficial and core effects. The obtained results show that the influence of the width of hole-states on the momentum distribution is strongly model dependent.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work is related to a study of events e+e- → Z 0(γ*) → τ+ τ- (γ) produced at the DELPHI detector, which is one of the experiments of the LEP collider at CERN, with centre- of-mass energy of 189 GeV. We study the simulation of background and signal events, applying selection criteria in order to maximize the rejection of background and minimize the rejection of signal and apply these same selection criteria on the real data. We finish this work showing the results of the measurement of the cross-section of this channel and of the branching fraction. / O presente trabalho refere-se ao estudo de eventos e+e- → Z 0(γ*) → tau+ tau- (γ) produzidos no DELPHI, um dos experimentos do colisor LEP do CERN, com energia de centro de massa de 189 GeV. Foi feita uma análise das simulações dos eventos de fundo e do sinal, onde aplicamos critérios de seleção dos dados de modo a maximizar a rejeição do fundo e minimizar a rejeição do sinal. Aplicamos esses mesmos critérios de seleção aos dados reais. Terminamos o trabalho .apresentando a medida da seção de choque deste canal e a razão de ramificação.

Faz-se uma revisão do problema da dimensionalidade do espaço entendido como um problema de Física, enfatizando que algumas leis físicas dependem fortemente deste parâmetro topológico do espaço. Discute-se o que já foi feito tanto no caso da equação de Schrödinger quanto na de Dirac. A situação na literatura é bastante controversa e, no caso específico da equação de Dirac em D dimensões, não se encontra nenhum trabalho na literatura científica que leve em conta o potencial de intera coulombiana corretamente generalizado quando o número de dimensões espaciais é maior do que três. Discute-se, portanto, o átomo de hidrogênio relativístico em D dimensões. Novos resultados numéricos para os níveis de energia e para as funções de onda são apresentados e discutidos. Em particular, considera-se a possibilidade de existência de átomos estáveis em espaços com dimensionalidade 6= 3.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Apresenta-se neste trabalho um estudo sobre o impacto do empilhamento de eventos (pile-up), nas distribuições das variáveis comumente utilizadas para identificar eventos difrativos, na topologia de difração dura simples produzindo dijatos, nas condições do CMS para baixa luminosidade (2 x 1033 cm -2 s-1). O cenário de baixa luminosidade citado acima equivale aproximadamente a 5 eventos de pile-up em média por cruzamento de pacotes. Para simular o sinal, difrativos (com e sem pile-up), usamos o gerador POMWIG (1). Para os eventos não-difrativos (com e sem pile-up), utilizamos o gerador PYTHIA (2),bem como para a produção dos eventos de pile-up (eventos simulados utilizando eventos de minimum bias). / We present here a study on the pile-up impact in the variables commonly used to identify diffractive events, the topology of single diffraction producing hard jets in the CMS conditions for low luminosity (2 X 1033 cm -2 s-1). The low luminosity scenario mentioned above is equivalent to approximately 5 pile-up events on average by crossing packages. To simulate the signal, diffractive events (with and without pile-up), we use the generator POMWIG(1). For the non-diffractive events (with and without pile-up), we use generator PYTHIA(2), and for the production of events of pile-up as well (events simulated using minimum bias events).

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Este trabalho apresenta um estudo sobre a produção de dijatos exclusivos em interações pp, do tipo pp → p "+" dijatos "+" p, onde os prótons desta interação permanecem intactos, e o símbolo "+" indica uma lacuna na pseudorapidez, uma região com ausência de atividade hadrônica entre os prótons espalhados e o sistema central de dijatos; este processo é conhecido como produção central exclusiva. A análise utiliza uma amostra de dados que corresponde a uma luminosidade efetiva de 24;48 pb-1 coletados pelo experimento Compact Muon Solenoid (CMS) no Large Hadron Collider (LHC), no ano de 2010, com energia de centro de massa √s = 7 TeV. Este canal possui uma assinatura experimental única, caracterizada pelos prótons espalhados na região frontal, ou a baixos ângulos e duas grandes lacunas opostas. O processo da produção central exclusiva é útil para o entendimento das interações no contexto da QCD. / This work presents a study about the exclusive dijets production in pp interactions of type pp → p "+" dijets "+" p, where the protons this interaction remain intact, and the symbol "+" denotes a gap in pseudorapidity, a region with no hadronic activity between the scattered protons and the central dijets system, this process is known as central exclusive production. The analysis uses a data sample corresponding to effective luminosity of 24:48 pb -1 collected by the experiment Compact Muon Solenoid (CMS) at Large Hadron Collider (LHC), in 2010, with center of mass energy of √s = 7 TeV. This channel has a experimental signature unique, characterized by scattered protons in the frontal region or low angles and two large gaps opposite. The central exclusive production process is useful for understanding the interactions in the context of QCD.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta dissertação apresento as atividades que foram desenvolvidas durante o período de mestrado, que teve como objetivo o desenvolvimento da Técnica de Análise de dados através do Método de Elemento de Matriz (ME) para procura do Bóson de Higgs no experimento CMS. A proposta foi utilizar uma técnica de análise de dados relativamente nova, conhecida como Método do Elemento de Matriz (ME). Esta técnica foi desenvolvida e utilizada recentemente para aplicação na física do quark top nos experimentos D0 e CDF do Tevatron (FERMILAB). Entretanto, ainda não existem estudos envolvendo a aplicação da mesma para a física do Higgs no LHC. O método de ME foi aplicado na procura do Higgs no canal de decaimento H → W+ W- →+ν-ν, qual os estudos atuais apontam como sendo um dos canais com maior potencial de descoberta, principalmente nesta fase inicial em que a estatística ainda será muito limitada. / We present the activities that were developed during the Master, which aimed at the development of the data analysis technique using the Matrix Element Method (ME) in the Higgs boson search in the CMS experiment. The proposal was to use a data analysis technique relatively new known as Matrix Element Method (ME). This technique was developed and used recently for application in the top quark physics in D0 and CDF experiments at the Tevatron (Fermilab). However, there are no studies involving the use of it in the physics of the Higgs at the LHC. The ME method was applied in the Higgs boson search in the decay channel H → W+ W- →+ν-ν , which the current studies indicate as being one of the channels with the highest potential for discovery, especially at this early stage in which the statistic is still very limited.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente trabalho tem por finalidade determinar a luminosidade necessária para se impor um limite para exclusão e a signifucância para evidência e descoberta para um bóson de Higgs de mH = 200 GeV no canal qqH → ZZ → 4. Também, apresenta-se uma crítica a qualidade da relação sinal/fundo em eventos de fusão de bósons vetoriais conhecida da literatura atual. / This analysis aims to determine the luminosity required to impose an exclusion limit and significance for evidence and discovery for a Higgs boson of mH = 200 GeV on the channel qqH → ZZ → 4. Also, it presents a critical to the quality of the relation signal/background in vector boson fusion events known form the current literature.

Apresentaremos um estudo sobre a produção inclusiva de hádrons em colisões próton-próton (pp), através do espectro pT do momento transverso dos hádrons produzidos. É esperado que em regiões de grande densidade de glúons, que come çam a serem provadas por aceleredores de grande energia, a abordagem tradicional da QCD perturbativa não seja su ciente. Tal regime é caracterizado por fortes campos de cor descritos pela teoria efetiva do condensado de vidro de cor (CGC), mais apropriado neste caso para descrever os observáveis. Consideramos também uma possível extensão do modelo colinear, obtida pela adição de uma distribuição gaussiana inicial, que considera um momento transverso intrínsico anterior à interação dos pártons. Tal abordagem pode corrigir as de ciências do modelo colinear sem que tenhamos que recorrer ao CGC em algumas regiões cinemáticas. O modelo colinear é baseado na consagrada evolução DGLAP das funções de distribuição de pártons, prevendo uma forma de fatorização para calcularmos as seções de choque. Mas, quando consideramos regiões de grande densidade, é provável que outra forma de evolução governe a dinâmica das funções de onda hadrônica, levando estas até um regime saturado. Adentrando nesta região incerta, o modelo de fatorização colinear não é satisfatório e devemos considerar outras formas menos estabelecidas para gerar previsões sobre o espectro pT. Como resultado deste trabalho, comparamos estas abordagens distintas e as confrontamos com dados experimentais do RHIC e LHC. / We present a study of single inclusive hadron production in proton-proton collisions (pp) through the spectra of the transverse moment pT of the produced hadrons. It is expected that in regions of high density of gluons, which begin to be probed by high energy accelerators, the traditional approach of perturbative QCD is not enough. Such a regime is characterized by strong color elds described by the e ective theory of color glass condensate (CGC), more appropriate in this case to describe the observables. We also consider a possible extension of the collinear model, given by the addition of an initial Gaussian distribution, which considers an intrinsic transverse moment prior to the interaction of the partons. Such approach can correct the limitation of the collinear model without having to appeal to CGC in some kinematic regions. The collinear model is based on the established DGLAP evolution of the parton distribution functions, which provides a form of factorization to calculate the cross sections. But when we consider regions of high density, it is likely that another form of evolution governs the dynamics of the hadronic wave functions, guiding them to a saturated regime. Advancing in this uncertain region, the collinear factorization model does not work and we must consider less well-established ways to generate predictions about the pT spectrum. We compare these distinct theoretical approaches and confront their results against the RHIC and LHC data.