Le Modèle Standard de la physique des particules permet de décrire le comportement des particules et leurs interactions. L’une d’elles, le quark top, est la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour. Cette propriété lui confère un rôle privilégié dans les théories dites de Nouvelle Physique, il pourrait se coupler préférentiellement aux nouvelles particules prédites par ces modèles.Cette thèse a été menée auprès du détecteur ATLAS installé au LHC. La première partie de ce travail a porté sur l’étalonnage du calorimètre hadronique, une partie du détecteur servant entre autres à mesurer l’énergie des hadrons produits lors des collisions. Ce calorimètre est étalonné grâce à un système laser, qui envoie des pulses de lumière dans les 9852 canaux du calorimètre. Cette étude a permis de corriger les canaux dont le gain dérive en appliquant des facteurs correctifs aux données. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la recherche d’évènements à deux quarks top de même charge. La topologie avec deux leptons de même charge permet d’avoir une signature claire et présente peu de bruits de fond prédits par le Modèle Standard. Deux versions de l’analyse sont présentées : l’une avec une partie des données enregistrées par ATLAS en 2012, la deuxième plus optimisée avec le lot complet de données de 2012. Ces optimisations ont améliorées d’un facteur 3 la sensibilité sur le signal. N’ayant pas observé d’excès dans les données, une limite sur la section efficace de production d’évènements à deux quarks top de même charge a été calculée dans le cadre de deux modèles effectifs. / The Standard Model of particle physics is used to describe the behavior of the particles and their interactions. One of them, the top quark, is the heaviest elementary particle. This property gives it a favored role in the New Physics theories, it could interact preferentially with new particles predicted by these models.This thesis was performed using the ATLAS detector at LHC. The first part of this work was on the calibration of the ATLAS hadronic calorimeter, part of the detector which is used to measure the energy of the hadrons produced during the collisions. The hadronic calorimeter is calibrated with a laser system, which sends pulses to the 9852 calorimeter’s channels. With this study, drifting channels were corrected by applying correction factors on the data.The second part of this thesis was dedicated to the search of events with two same-sign top quarks. The topology with a same-sign dilepton pair is used to have a clear signature and show only a few Standard Model backgroud processes. Two versions of this analysis are discussed : one of them with a part of the data collected in 2012 and the other one, with a lot of optimizations and with the complete dataset of 2012. These optimizations permits to improve the sensitivity of the signal by a factor 3. Without any excess observed in the data events, it is possible to calculate a limit on the cross section of the same-sign top quarks pair and interpreted in the case of two effective models.

La première partie présente la mesure des polarisabilités généralisées (GPs) électrique αε(Q²) et magnétique βM(Q²) du proton qui sont fonctions du quadri-moment de transfert Q². L'expérience a été réalisée dans le Hall A1 à MAMI (Mayence) avec un faisceau d'énergie de l'ordre de 1 GeV, à Q²=0.45 GeV² (qcm=714 MeV/c et ε=0.63). Le modèle DR (Relations de Dispersion) a été utilisé pour extraire les GPs, αε(Q²) et βM(Q²), ainsi que deux combinaisons linéaires P¿ (Q²) – 1/ε PTT (Q²) et P¿ (Q²). Ces dernières ont été extraites, pour les mêmes données, en utilisant l'approche de basse énergie (LEX) sous le seuil de production du pion. Nos résultats préliminaires montrent un bon accord entre les deux méthodes et offrent une nouvelle contrainte sur la structure du proton à basse énergie. La deuxième partie est dédiée à la mesure de la section efficace totale du processus de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) sur le neutron à Q²=1.75 GeV² et xB=0.36. Le processus DVCS permet d'extraire des fonctions universelles "distributions généralisées de partons (GPDs)" permettant de comprendre la structure interne du nucléon en terme de partons. Le DVCS sur le neutron est sensible à la GPD E qui est la moins contrainte à ce jour et dont la connaissance est indispensable pour remonter au moment orbital des quarks. Les données analysées proviennent de l'expérience E08-025 effectuée dans le Hall A de JLab (USA) avec un faisceau d'électrons polarisés d'énergie de l'ordre de 6 GeV et deux cibles d'hydrogène et de deutérium. Nos résultats préliminaires montrent, pour la première fois, une contribution (neutron-DVCS + deuton cohérent-DVCS) non nulle et sont très prometteuses en vue d'une extraction de la GPD "E". / The first part presents the measurement of the generalized αε(Q²) electric and magnetic βM(Q²) polarisabilities (GPs) of the proton which depend on the four-momentum transfer  Q². The experiment was performed in Hall A1 at MAMI (Mainz) with a 1 GeV beam energy at Q² =0.45 GeV² (qcm=714 MeV/c and ε=0.63). The dispersion relations model was used to extract the GPs, αε(Q²) and βM(Q²),  and two linear combinations P¿ (Q²) – 1/ε PTT (Q²) and P¿ (Q²). These last ones were extracted, for the same data, using the low-energy approach (LEX) under the pion production threshold. Our preliminary results show a good agreement between both methods and provide a new constraint on the proton structure at low-energy. The second part is dedicated to the measurement of the total cross section of deeply virtual Compton scattering (DVCS) on the neutron at Q²=1.75 GeV² and xB=0.36. The DVCS process allows to extract the universal functions "generalized parton distributions (GPDs)" which provide  a new understanding the nucleon in terms of partons. The DVCS on the neutron is sensitive to E, the less constrained GPD, which allows  to access the orbital momentum of the quarks. The analyzed data were taken in the E08-025 experiment performed in Hall A at JLab (USA) with a polarized electron beam with energy around 6 GeV and two hydrogen and deuterium targets.  Our preliminary results show, for the first time, a  nonzero (neutron-DVCS + coherent-deuteron-DVCS) contribution and are very promising for the extraction of the GPD "E".

La découverte du boson de Higgs au LHC en 2012 est la plus récente confirmation de la validité du modèle standard, théorie décrivant les particules élémentaires et leurs interactions fondamentales. De nombreuses études ont été mises en place pour étudier les différentes caractéristiques de cette particule récemment découverte. Ce travail se concentre sur la recherche du processus ttH dans l’expérience ATLAS, pour réaliser une première mesure directe du couplage de Yukawa du boson de Higgs au quark top, paramètre important dans les modèles de physique au-delà du modèle standard. La première partie de ce travail a porté sur l’automatisation de l’étalonnage du calorimètre hadronique à tuiles du détecteur ATLAS (TileCal ) par un système laser. Une description de ce système qui permet un étalonnage régulier de toutes les cellules du calorimètre est tout d’abord présentée. Ensuite, l’algorithme d’automatisation de ce processus d’étalonnage, qui a été écrit lors de ce travail, est décrit. Le but final de cet algorithme est de faciliter et accélérer la correction des canaux dont le gain dérive. Une deuxième partie concerne la recherche du processus ttH par l’étude des états finals multi-leptons et particulièrement avec deux leptons de même charge électrique et au moins 4 jets dont 1 étiqueté b. L’estimation des bruits de fond instrumentaux et le traitement statistique réalisé sont décrits en détail dans le document pour deux versions de l’analyse. Une première version correspondant aux données de l’année 2015 et du début 2016, soit une luminosité intégrée de 13.2f b −1 de données, aboutit à une précision insuffisante pour conclure sur la présence du processus ttH. Une deuxième version de l’analyse, optimisée avec l’utilisation d’analyses multivariées sur l’ensemble des données 2015 et 2016, se conclut par une observation du processus ttH lors de la combinaison de l’ensemble des états finals ttH. La signification statistique observée est alors de 4.2σ pour une signification statistique attendue de 3.8σ. Ce résultat est donc en accord avec la prédiction du modèle standard. / Discovery of Higgs boson at LHC in 2012 is the most recent confirmation of the validity of Standard Model, theory describing elementary particles and their interactions. Many analysis now target the extraction of properties of the newly-discovered particle. A direct measurement in the ATLAS experiment of the top Yukawa coupling, one of these properties, is targeted in this work through ttH process. This coupling is of particular interest because of its strong sensitivity to New Physics. The first part of the work is about the automation of the calibration of the hadronic tile calorimeter of the ATLAS detector. A detailed description of the laser system used for a regular calibration of the calorimeter is done as well as of the calibration itself. Then more details on the algorithm written for the automation of the calibration are given. The final goal of this algorithm is to ease and fasten the calibration of channels with gain variation. The second part is dedicated to the search for ttH process through multilepton final states with emphasis on final state with two same-sign leptons, at least four jets and at least 1 b-tagged jet. Estimation of reducible backgrounds and statistical treatment of the analysis are detailed. A first version of the analysis with 13.2f b −1 , corresponding to 2015 and mid-2016 LHC data, ends with a final precision too low to extract any conclusion on the tt̄H process. In a second version of the analysis, improvements are made using multivariate analysis and adding more signal regions. The results from the multilepton analysis is combined with results from other ttH analysis, targeting other Higgs decays, to attain a final observed sentivity of 4.2σ. Thus an evidence for ttH production can be claimed from this combination. The final results give good agreement with Standard Model prediction.

L’expérience ALICE au LHC étudie le plasma de quarks gluons (PQG), état de la matière où quarks et gluons existent à l’état déconfinés. Une des sondes utilisée pour explorer cet état est l’étude de plusieurs résonances (ρ, ω, ф, J/ψ et Ƴ) via leur canal de désintégration dimuonique, à l’aide d’un spectromètre à muons couvrant les pseudo-rapidités -4 < η < -2.5. La première partie de la thèse se focalise sur les mésons vecteurs de basses masses (ρ, ω et ф) . Elle concerne l’analyse des données récoltées en 2010 en collisions pp à √s = 7 TeV et Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV. Les mésons vecteurs de basses masses sont des outils intéressants pour sonder le PQG grâce à leurs faibles durées de vie et leur canal de désintégration dimuonique non affecté par les interactions dans l’état final. Les taux de production et fonctions spectrales de ces mésons sont modifiées par le milieu hadronique chaud et le PQG. En collisions pp, les distributions du ф, du (ρ+ω) en fonction de l’impulsion transverse ainsi que les sections efficaces et sections efficaces différentielles de production des différents mésons ont été extraites. L’analyse en collisions Pb-Pb ainsi que ses perspectives sont également présentées. La seconde partie de la thèse concerne le futur de l’expérience ALICE et les plans d’amélioration des détecteurs pour l’horizon 2017. Une étude de faisabilité pour l’ajout d’un trajectographe en pixels de Silicium (MFT) à l’avant de l’absorbeur hadronique dans l’acceptance du spectromètre à muons est présentée. Les performances et améliorations apportées par le MFT dans différents canaux de physique ont été étudiées en simulation / ALICE experiment at LHC studies the Quark Gluon Plasma (QGP), a particular state of matter where quarks and gluons are deconfined. A probe to explore this state is the study of several resonances (ρ, ω, ф, J/ψ and Ƴ) through their dimuon decay channel, with a muon spectrometer covering pseudo-rapidity -4 < η < -2.5. In the first part of this thesis, the focus is on light vector mesons (ρ, ω and ф) and their analysis in the 2010 data, in pp collisions at √s = 7 TeV and Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV. Light vector mesons are powerful tools to probe the QGP due to their short lifetime and their dimuon decay channel. Indeed, leptons have negligible final state interactions. Production rates and spectral functions of those mesons are modified by the hot hadronic and QGP medium. In pp collisions, pT distributions, production cross sections and pT-differential cross sections of the different mesons have been extracted. The Pb-Pb analysis and its prospects are also presented. The second part of the thesis concerns ALICE upgrades plans of year 2017. A feasibility study for a Muon Forward Tracker (MFT) in Silicon pixels located upstream of the hadronic absorber, in the spectrometer acceptance, was performed. Performances and improvements brought by the MFT on several physics cases were in simulations

L'hadronthérapie joue un rôle de plus en plus important au sein des techniques de radiothérapie grâce aux propriétés balistiques des ions et, dans le cas de ceux plus lourds que les protons, à une augmentation de l'efficacité biologique dans la région tumorale. Ces caractéristiques permettent une meilleure conformation de la dose délivrée au volume tumoral et elles permettent en particulier de traiter des tumeurs radio-résistantes. Elles conduisent cependant à une grande sensibilité du parcours des ions aux incertitudes du traitement. C'est dans ce contexte qu'a été proposée la détection de radiations secondaires émises lors des interactions nucléaires induites par les ions incidents dans le patient. La tomographie par émission de positons et la détection des rayons gamma prompts ont notamment fait l'objet d'une recherche intense ces dernières années. Le réseau de formation européen ENTERVISION, soutenu par la communauté ENLIGHT, a été crée fin 2009 pour développer ce type d'imagerie et, plus généralement, traiter les incertitudes de traitement en hadronthérapie. Le travail présenté dans ce manuscrit et intitulé ≪ Modélisation et simulation des processus physiques pour l'imagerie en ligne de l'hadronthérapie ≫ est l'un des nombreux travaux issus de ce projet. Bien que le sujet soit particulièrement large, le fil conducteur de ce travail a été une étude systématique visant in fine une implémentation d'un dispositif d'imagerie ≪ gamma prompts ≫ utilisable à la fois en faisceau de protons et d'ions carbone / Hadrontherapy is taking an increasingly important role in radiotherapy thanks to the ballistic properties of ions and, for those heavier than protons, an enhancement in the relative biological effectiveness in the tumour region. These features allow for a higher tumour conformality possible and gives the opportunity to tackle the problem of radioresistant tumours. However, they may lead to a great sensitivity of ion range to treatment uncertainties, namely to morphological changes along their path. In view of this, the detection of secondary radiations emitted after nuclear interactions between the incoming ions and the patient have been long proposed as ion range probes and, in this regard, positron emitters and prompt gammas have been the matter of intensive research. The European training network ENTERVISION, supported by the ENLIGHT community, was created in the end of 2009 in order to develop such imaging techniques and more generally to address treatment uncertainties during hadrontherapy. The present work is one of the many resulting from this project, under the subject “Modelling and simulation of physics processes for in-beam imaging in hadrontherapy”. Despite the extensive range of the topic, the purpose was always to make a systematic study towards the clinical implementation of a prompt-gamma imaging device to be used for both proton and carbon ion treatments

Le Modèle standard de la physique de particules explique avec beaucoup de succès comment les particules fondamentales interagissent entre elles. Néanmoins, ce modèle n’est pas capable d’expliquer certains défis contemporains du domaine, comme la grande quantité de paramètres libres, le problème de la hiérarchie ou l’identité de la matière sombre. Pour expliquer ces phénomènes, il faut chercher la physique au-delà du Modèle standard. De sorte à satisfaire les contraintes provenant des mesures expérimentales, on peut considérer l’addition d’une seule nouvelle particule au Modèle standard qui se couple à deux quarks, le diquark. Sa contribution aux processus hadroniques offre une opportunité d’obtenir des limites dans ses paramètres à partir des données expérimentales contemporaines. Ceci nous permettrait d’évaluer son potentiel et d’identifier les processus auxquels cette particule peut contribuer. Parmi les états de diquarks possibles, on trouve les diquarks scalaires Dᵘ et Dᵈ, qui possèdent un couplage antisymétrique à des paires de quarks droitiers du type up ou du type down, respectivement. L’obtention des contraintes sur les valeurs de leur masse Mᴰ et leurs couplages aux quarks (x^q, y^q), où q = u, d, est l’objectif central de ce travail. Pour cela, on considère tout d’abord des recherches directes dans la production de dijet, la signature expérimentale des désintégrations de ces particules. Ensuite, on sonde l’influence indirecte du diquark Dᵘ dans les mesures expérimentales de la section efficace de production d’un seul quark top. Les données expérimentales obtenues dans le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) pour ces processus à haute énergie sont utilisées pour comparer les prédictions théoriques de ces modèles et quantifier leur viabilité en fournissant de nouvelles contraintes sur ses paramètres. On est capable d’améliorer les contraintes trouvées dans la littérature de |xᵘ| ≤ 14,4 à |xᵘ| ≤ 0,13–0,15 pour Dᵘ et de |xᵈyᵈ| ≤ 0,022 avec |yᵈ| ≤ 0,17 à |xᵈ| ≤ 0,15–0,17 pour Dᵈ, les deux avec une masse de Mᴰ = 600 GeV. De plus, l’analyse des données pour la production d’un seul quark top montre que la réduction de l’espace de phase des pᵀ peut améliorer encore plus ces contraintes. / The Standard Model of particle physics explains with great success how fundamental particles interact. However, this model cannot explain some contemporary challenges of the domain, such as the large number of free parameters, the hierarchy problem or the identity of dark matter. To explain these phenomena, we need to search for physics beyond the Standard Model. In order to satisfy the existing constraints from experimental measurements, we can consider the addition of a single new particle to the Standard Model that couples to two quarks, a diquark. Its contribution to hadronic processes offers an opportunity to set limits on its parameters from contemporary experimental data. This would allow us to evaluate their potential and identify processes to which they can contribute. Among the possible diquark states, we find the scalar diquarks Dᵘ and Dᵈ, which have an antisymmetric coupling to pairs of right-handed up-type or down-type quarks, respectively. To obtain constraints on their mass Mᴰ and on their couplings to quarks (x^q, y^q), where q = u, d, is the main goal of this work. In order to do so, we start by considering direct searches in the production of dijet, the experimental signature of the decay of these particles. Afterwards, we probe the indirect influence of the Dᵘ diquark to the experimental measurements of the single-top-production cross section. Recent data for both of these processes from the Large Hadron Collider (LHC) is used to compare the theoretical predictions of these models and quantify their viability by providing new constraints on its parameters. We are able to improve the constraints found in the literature from |xᵘ| ≤ 14.4 to |xᵘ| ≤ 0.13–0.15 for Dᵘ and from |xᵈyᵈ| ≤ 0.022 to |yᵈ| ≤ 0.17 to |xᵈ| ≤ 0.15–0.17 for Dᵈ, both with masses of Mᴰ = 600 GeV. Other than that, the analysis of the data from single top production shows that the reduction of the pᵀ space can further improve these constraints.

Depuis plus d’un siècle, les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie (RCUHE), ayant une énergie supérieure à 1018 eV, continuent d’entretenir le mystère : Quelle est leur composition ? D’où viennent-ils ? Comment atteignent-ils de telles énergies ? Ces particules chargées, suffisamment énergétiques pour atteindre la Terre, forment des gerbes de particules secondaires via leurs interactions avec l’atmosphère dont le développement est caractéristique de la nature de la particule primaire. L’observatoire Pierre Auger, avec sa structure hybride et son gigantesque réseau de détecteurs peuvent apporter des réponses. L’étude de la composition des RCUHEs a été étudiée avec le réseau de surface de l’observatoire Pierre Auger. Cette dernière est cruciale à la fois pour comprendre les interactions hadroniques, qui constituent le développement des gerbes, et pour identifier leurs sources. Cela peut également aider à comprendre l’origine de la coupure spectrale aux plus hautes énergies : s’agit-il de la coupure GZK ou à l’extinction des sources. Toutes ces raisons motivent la première partie de la thèse, à savoir la mise en place d’une méthode permettant d’extraire la composante muonique des gerbes atmosphériques et d’en déduire la composition. Les résultats de cette méthode montrent une dépendance de la composition avec la distance à l’axe de la gerbe, qui pourrait aider à améliorer les modèles hadroniques. Dans les conditions actuelles du réseau de surface, l’identification de la composante muonique présente des limites.La seconde partie est consacrée au nouvel observatoire en Chine, LHAASO. Ce projet s’intéresse à l’étude des gammas supérieurs à 30 TeV, qui signeraient l’accélération de proton dans la galaxie, donnant ainsi des informations indirectes sur les rayons cosmiques. D’autre part, l’observatoire vise à étudier les rayons cosmiques entre 10 TeV et 1 EeV, région où le spectre en énergie présente une rupture. Cette région nécessite de pouvoir discriminer les gammas des rayons cosmiques. A ce titre, l’un des détecteurs de LHAASO, le KM2A, a été simulé et son pouvoir de discrimination gamma/hadron évalué. / During the past century, ultra-high-energy cosmic rays (UHECR), those with an energy larger than 1018 eV, remain as a mystery: What are cosmic rays? Where do they come from? How do they attain their huge energy? When these charged particles strike the earth's atmosphere, they dissipate their energy by generating a shower of secondary particles whose development is significantly different depending on the nature of the primaries. The Pierre Auger observatory, with its hybrid structure and huge size network of ground detectors, can shed some light into these questions.The study of the composition of UHECR was performed with the Pierre Auger apparatus. This is crucial both to understand the hadronic interactions, which govern the evolution of showers, and to identify their sources. It can help to understand the origin of the energy spectrum cut-off: is it the GZK cut-off or the exhaustion of sources? These reasons motivate the first part of this thesis: the development of a method to extract the muonic component of air showers and deduce the implications on the composition of UHECR at the Pierre Auger observatory. The results of this method show a dependence of the composition with the distance to the axis of the shower, which could help to improve the hadronic models. The determination of the muon component is limited by the surface detector setup.The second part is devoted to the new observatory in China, LHAASO. This project focuses on the study of gamma rays with an energy higher than 30 TeV, which probe the acceleration of protons in the galaxy, providing indirect information on cosmic rays. Moreover, the observatory studies cosmic rays between 10 TeV and 1 EeV, one of the regions where the energy spectrum presents a break. This region requires the ability to discriminate gamma rays and cosmic rays. For this reason, one of the detectors of LHAASO, the KM2A, was simulated and its power of discrimination gamma/hadron evaluated.

Introduites au milieu des années 90, les Distributions Généralisées de Partons (GPD) sont aujourd'hui un élément clé dans l'étude de la structure interne du nucléon. Les GPD sont la généralisation des Facteurs de Forme et des Fonctions de Distribution de Partons. Elles englobent la distribution spatiale et la distribution en impulsion des partons à l'intérieur du nucléon, ce qui permet d'en effectuer une tomographie en trois dimensions. De plus, elles permettent d'obtenir le moment orbital angulaire total des quarks grâce à la règle de somme de Ji, ce qui est un élément crucial dans l'élucidation de l'énigme de la structure en spin du nucléon. En décrivant de manière plus complète la structure des hadrons en termes de quarks et gluons, il est possible d'approfondir notre compréhension de la Chromodynamique Quantique. Les GPD sont accessibles expérimentalement à travers les processus d'électro-production exclusifs profonds, et l'un des canaux les plus simples est la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS). Un programme expérimental mondial a été lancé au début des années 2000 afin d'extraire ces GPD. L'expérience DVCS E12-06-114 qui a été effectuée dans le Hall A du Jefferson Laboratory (Virginie, Etats-Unis) entre 2014 et 2016 est incluse dans ce programme. Le but de cette expérience est de mesurer avec grande précision la section efficace DVCS dépendante de l'hélicité en fonction du transfert d'impulsion Q², pour des valeurs fixes de la variable de Bjorken xBj, sur une cible de proton. La récente amélioration à 12 GeV de l'accélérateur permet d'obtenir un bras de levier en Q² plus important que lors des expériences précédentes et de sonder des régions cinématiques encore inexplorées, tandis que le faisceau polarisé d'électrons permet de séparer les contributions des parties réelles et imaginaires de l'amplitude DVCS à la section efficace totale. Dans ce document, un bref résumé du programme expérimental mondial sur l'étude des GPD va être fourni, suivi par la description de l'appareillage et l'analyse des données de l'expérience E12-06-114. Enfin, les résultats des mesures de sections efficaces polarisées et non-polarisées sont présentés et comparés à une sélection de modèles. / Introduced in the mid 90’s, Generalized Parton Distributions (GPDs) are now a key element in the study of the nucleon internal structure. GPDs are a generalization of Form Factors and Parton Distribution Functions. They encapsulate both spatial and momentum distributions of partons inside a nucleon, allowing to perform its three-dimensional tomography. Furthermore, they allow to derive the total orbital angular momentum of quarks through the Ji sum rule, which is a crucial point to unravel the nucleon spin structure. By providing a more complete description of hadrons in terms of quarks and gluons, a deeper understanding of Quantum Chromodynamics can be reached.GPDs are experimentally accessible through deeply exclusive electro-production processes, and one of the simplest channels available is Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS). A worldwide experimental program was started in the early 2000’s to extract these GPDs. The DVCS experiment E12-06-114 performed at Jefferson Laboratory Hall A (Virginia, USA) between 2014 and 2016, is encompassed in this program. The aim of this experiment is to extract with high precision the DVCS helicity-dependent cross sections as a function of the momentum transfer Q², for fixed values of the Bjorken variable xBj, on a proton target. The recent upgrade of the accelerator facility to 12 GeV allows to cover a larger Q² range than in previous measurements and probe yet unexplored kinematic regions, while the polarized electron beam allows the separation of the contributions from the real and imaginary parts of the DVCS amplitude to the total cross section. In this document, a brief summary of the worldwide experimental program for the study of GPDs will be provided, followed by a description of the E12-06-114 apparatus and data analysis. Finally, the results of the unpolarized and polarized cross-section measurements are presented and compared to a few selected models.

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Utrahochenergetische kosmische Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR) besteht aus ionisierten Atomkernen mit den höchsten Teilchenergien, die je gemessen wurden. Zwar wurden die Quellen von UHECRs noch nicht eindeutig identifiziert, doch gibt es deutliche Anzeichen, dass sie extragalaktisch sind. Um die Beobachtungen zu interpretieren, wird ein Modell der Wechselwirkungen mit Photofeldern sowohl in der Quelle als auch während der extragalaktischen Propagation benötigt. Bei diesen Wechselwirkungen werden sekundäre Neutrinos erzeugt. Diese Dissertation behandelt Modelle der Quellen von UHECRs und die damit verbundene Produktion von Neutrinos sowohl in den Quellen als auch während der Propagation. Dafür wurde ein neuer Code, PriNCe, für die Propagation von UHECRs entwickelt. Dieser Code wird in einem umfangreichen Parameterscan für ein generisches Quellenmodell angewendet, welches mit dem Spektralindex, der maximalen Rigidität, der kosmologischen Quellenverteilung und der chemischen Komposition als freie Parameter definiert ist. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Photodisintegrations- und Luftschauermodellen auf die erwarteten Eigenschaften der Quellen demonstriert. Der Fluss kosmogenischer Neutrinos, der sich daraus robust vorhersagen lässt, liegt außerhalb der Reichweite aller derzeit geplanten Neutrinodetektoren. GRBs als mögliche Quellen von UHECRs werden im Multi-Collision Internal-Shock Modell simuliert, welches die Abhängigkeit der Strahlungsprozesse von den verschiedenen Dissipationsradien im Plasmajet berücksichtigt. Für dieses Modell wird der Effekt demonstriert, den verschiedene Annahmen über die anfängliche Verteilung des Plasmajets und das hydrodynamische Modell auf die resultierende UHECR- und Neutrinosstrahlung haben. Für den Gammastrahlenblitz GRB170817A, welcher zusammen mit einem Gravitationswellensignal beobachtet wurde, werden Vorhersagen für den Neutrinofluss und ihre Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel gemacht. / Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe. While the astrophysical sources of UHECRs have not yet been uniquely identified, there are strong indications for an extragalactic origin. The interpretation of the observations requires both simulations of UHECR acceleration and energy losses inside the source environment as well as interactions during extragalactic propagation. Due to their extreme energies, UHECR will interact with photons in these environments, producing a flux of secondary neutrinos. This dissertation deals with models of UHECR sources and the accompanying neutrino production in the source environment and during extragalactic propagation. We have developed a new, computationally efficient code, PriNCe, for the extragalactic propagation of UHECR nuclei. The PriNCe code is applied for an extensive parameter scan of a generic source model that is described by the spectral index, the maximal rigidity, the cosmological source evolution and the injected mass composition. In this scan, we demonstrate the impact of different disintegration and air-shower models on the inferred source properties. A prediction for the expected flux of cosmogenic neutrinos is also derived. GRBs are discussed as specific UHECR source candidates in the multi-collision internal-shock model. This model takes the radiation from different radii in the GRB outflow into account. We demonstrate how different assumptions about the initial setup of the jet and the hydrodynamic collision model impact the production of UHECRs and neutrinos. Motivated by the multi-messenger observation of GRB170817A, we discuss the expected neutrino production from this GRB and its dependence on the observation angle. We show that the neutrino flux for this event is at least four orders of magnitude below the detection limit for different geometries of the plasma jet.