Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la physique hadronique et consiste en des études phénoménologiques et expérimentales dédiées à la structure interne des nucléons et reliées aux mesures des facteurs de forme des hadrons dans les régions temps et espace. Dans le cadre du futur complexe accélérateur d'antiprotons et d'ions (FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research) à Darmstadt, Allemagne, un programme expérimental dont le but est la mesure des facteurs de forme électromagnétiques du proton dans la région temps est prévu auprès du détecteur de grande acceptance PANDA (anti-Proton Annihilation at Darmstadt) à partir des réactions d'annihilation pbar p -> e+ e- dans l'intervalle en énergie 2.25(1.5) <sqrt(s)(p L ) < 5.47(15) GeV (GeV/c), où sqrt(s)(p L ) est l'énergie totale dans le système centre de masse (l'impulsion du faisceau dans le référentiel du laboratoire). La difficulté réside dans l'extraction du signal d'intérêt dans le bruit de fond des voies hadroniques, principalement la production d'une paire de pions chargés. L'étude phénoménologique de la production d'une paire de mésons dans l'annihilation pbar p représente l'un des sujets de cette thèse. Le but de cette étude est double : d'une part, être capable de mieux évaluer le bruit de fond hadronique et d'autre part, accroître nos connaissances sur la structure interne des hadrons car une telle réaction contient des informations sur le contenu en quarks des nucléons. Un modèle effectif de mésons a été développé pour évaluer la section efficace d'annihilation pbar p en une paire de pions légers, dans le domaine en énergie d’intérêt. Un facteur de forme logarithmique a été introduit pour modéliser la nature composite des hadrons en interaction. Ce modèle s'applique aussi à la diffusion élastique pion proton, par symétrie de croisement, et à la production d'une paire de kaons chargés, suivant la symétrie SU(3). Le modèle a été ensuite étendu à différentes voies neutres telles pi0-pi0, eta-eta, pi0-eta. Les résultats obtenus sont présentés et comparés aux données existantes. Dans la région espace, l'effort expérimental entrepris à Jefferson Lab (Newport News, VA, USA) et dédié à la mesure précise du rapport des facteurs de forme électromagnétiques du proton dans la diffusion élastique doublement polarisée ep, sera poursuivi à plus haut quadri-moment transféré carré, au-dessus de 10 GeV2, et concernera aussi le neutron. Cette méthode nécessite une mesure précise de la polarisation du proton ou du neutron de recul. Pour concevoir et optimiser la polarimétrie dans la région du GeV, une détermination de l'efficacité et des pouvoirs d'analyse, c'est-à-dire de la figure de mérite d'un polarimètre, est indispensable préalablement aux expériences à JLab. Dans ce contexte, j'ai contribué à l'expérience ALPOM2 (JINR Dubna, Russie), la seule expérience actuellement capable de mesurer les pouvoirs d'analyse protons et neutrons pour les mesures à JLab avec plusieurs types de cibles. Expérimentalement, un faisceau polarisé de protons ou de neutrons de 3.0, 3.75 et 4.2 GeV/c est obtenu par cassure du faisceau de deutons polarisés du Nuclotron et les fragments chargés issus des collisions avec les cibles de C, CH2, CH et Cu sont mesurés. Pour les neutrons, dans l'intervalle en impulsion de 1 à 6 GeV/c, deux processus ont été considérés pour déterminer les pouvoirs d'analyse : np -> np, et réaction avec échange de charge np -> pn. A partir de la comparaison des figures de mérite associées à chacun de ces deux processus, calculés par un modèle, la réaction avec échange de charge apparaît comme plus efficace pour la polarimétrie à haute énergie. Les pouvoirs d'analyse du neutron pour la réaction d'échange de charge sur des cibles CH et Cu ont été mesurés pour la première fois jusqu'à 4.2 GeV/c. Pour le proton, des données plus précises de pouvoir d'analyse ont été obtenues. Les résultats expérimentaux de l'analyse préliminaire sont présentés. / This thesis work, set in the framework of hadron physics, reports on a phenomenological and an experimental studies dedicated to nucleon internal structure, both related to hadron electromagnetic form factor measurements in the time-like and in the space-like regions.At the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany, an experimental program aiming to determine the proton electromagnetic form factors in the time-like region is planned with the PANDA (anti-Proton Annihilation at Darmstadt) large acceptance detector through the annihilation reaction pbar p -> e+ e- in the energy range 2.25(1.5) <sqrt(s)(p L ) < 5.47(15) GeV (GeV/c), where sqrt(s)(p L ) is the total energy in the center of mass system (the beam momentum in laboratory frame). In such reactions, the difficulty is to extract the signal of interest from the huge background coming from hadronic channels, mainly pion pair production. Phenomenological studies of meson pair production in pbar p annihilation is one of the subjects of this thesis. The goal is two-fold : to better evaluate the hadronic background and to improve our knowledge on the hadron internal structure as such reaction contains by itself useful information on the hadron quark content. An effective meson model has been developed to evaluate the cross section of pbar p annihilation into light meson pairs, in the energy domain relevant to the PANDA experiment. A logarithmic form factor is introduced to account for the composite nature of the interacting hadrons. The model was also applied to pi p elastic scattering, using crossing symmetry, and to charged kaon pair production, on the basis of SU(3) symmetry. The model has then been extended to different neutral channels pi0-pi0, eta-eta, eta-pi0 relying on SU(3) symmetry. In the range 3.362(5) <sqrt(s)(p L ) < 4.559(10.1) GeV (GeV/c), the results obtained are presented and compared to existing data.In the space-like region, the experimental effort started at Jefferson Lab (Newport News, VA, USA) and dedicated to precise measurements of the proton electromagnetic form factor ratio based on the recoil polarization method in elastic ep scattering, will be pursued up to higher four-momentum transfer squared, above 10 GeV2, and will be also applied to neutron. This method requires an accurate measurement of the polarization of the recoil particle, the proton or the neutron. In order to design and optimize the polarimetry in the GeV region, the determination of the efficiency and the analyzing powers, that combine into the figure of merit of a polarimeter, is mandatory prior to perform the experiments at JLab. In this context I contributed to the ALPOM2 experiment (JINR Dubna, Russia), the only experiment right now able to measure proton and neutron analyzing powers in the momentum range of interest for Jefferson Lab measurements and allowing considering different types of target. Experimentally, in the framework of ALPOM2, from the Nuclotron polarized deuteron beam, polarized proton and neutron beams at 3.0, 3.75 and 4.2 GeV/c were obtained by deuteron break-up and the charged fragments from the collisions with C, CH2, CH and Cu targets were measured. For neutrons, in the range from 1 to 6 GeV/c, two processes have been considered to determine the analyzing powers: np -> np and the charge exchange reaction np -> pn. From the comparison of the figures of merit associated to each of these two processes, the charge exchange reaction appears to be more efficient for polarimetry at high energy. Neutron analyzing powers for the charge exchange reaction on CH, and Cu targets have been measured up to 4.2 GeV/c for the first time. For the proton, more precise analyzing power data have been obtained. Experimental results of preliminary analysis are presented.

Le but premier de la physique des hautes énergies est d'améliorer notre connaissance de la structure fondamentale de la matière, et notamment des particules qui constituent le monde. L'une d'entre elles est le quark top, qui fut découvert en 1995 par les collaborations CDF et DØ auprès du collisionneur protons-antiprotons Tevatron. Un des buts principaux du Tevatron a été depuis l'étude fine des propriétés du quark top, et en particulier de la section efficace de production de paires top-antitop. Différentes analyses ont été menées dans les canaux leptons (μ,e,tau) + jets, dileptons, et tout hadronique afin de déterminer le plus précisément possible les valeurs de ces paramètres, et ainsi de tester la validité du Modèle Standard. Le but principal de cette thèse est de vérifier une des prédictions théoriques du Modèle Standard de la physique des particules, à savoir la section efficace de production top-antitop auprès du collisionneur Tevatron. Le canal étudié est constitué d'un muon, d'un lepton tau, de leurs neutrinos associés, et de deux jets de quark b (l'un d'entre eux provenant d'un quark b, l'autre d'un anti-quark b. La reconstruction et l'identification des jets, des muons, des leptons taus (en particulier par l'utilisation d'un réseau de neurones dédié), et l'étiquetage des jets de b, représentent les éléments fondamentaux de cette étude. Au final, un bon accord entre les données et la simulation Monte Carlo est obtenu à la dernière étape de cette analyse. En outre la mesure finale et la prédiction théorique au niveau NLL+NLO du calcul des perturbations sont compatibles.

Le futur Collisionneur Linéaire International ILC est un projet de collisionneur leptonique dont le but est de poursuivre le programme physique effectué par le LHC. Ce collisionneur permettra, entre autres, de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC. Deux détecteurs de particules sont prévus pour équiper le point de collision de l'ILC, le Grand Détecteur International ILD et le Détecteur en Silicium SiD. Ces deux détecteurs sont conçus afin de permettre l'application d'algorithmes de suivi de particules. Cette technique innovante permettrait d'améliorer la reconstruction et la mesure en énergie des jets. Pour permettre l'application de ces algorithmes de suivi de particules, les calorimètres équipant ces détecteurs doivent disposer d'une très grande granularité. Le calorimètre hadronique à lecture semi-numérique SDHCAL fait partie des options possibles pour équiper l'ILD. Ce calorimètre utilise des chambres à plaques résistives de verre comme partie active. La lecture s'effectue par des canaux de 1 cm x 1 cm. Un prototype a été développé en 2011, en grande partie à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon, et régulièrement soumis à des faisceaux de muons, d'électrons et de hadrons au CERN. Une grande partie de cette thèse est consacrée à mes travaux sur le programme de simulation du SDHCAL. L'analyse des données enregistrées en Octobre 2015 m'a permis de perfectionner l'algorithme de simulation des chambres à plaques résistives de verre utilisées dans le prototype. Une comparaison de la topologie des gerbes hadroniques et électromagnétiques entre des gerbes provenant de données expérimentales et des gerbes simulées sera présentée. Une autre partie est consacrée à la reconstruction de l'énergie des gerbes hadroniques au sein du SDHCAL. En utilisant la simulation du SDHCAL, j'ai pu étudier l'impact de la composante électromagnétique sur l'estimation de l'énergie des gerbes hadroniques, ce qui m'a permis de proposer une méthode alternative de reconstruction de l'énergie permettant d'améliorer les performances du SDHCAL. J'ai pu également étudier l'impact de l'utilisation d'une électronique de lecture plus avancée sur l'estimation de l'énergie. La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la mesure de la section efficace du processus e+e- → HZ en utilisant les désintégrations hadroniques du Z, dans le cadre d'une simulation complète de l'ILD utilisant le SDHCAL comme calorimètre hadronique. Pour une énergie de collision de 250 GeV, la précision attendue sur la mesure de cette section efficace est de 1,8%. Cette précision est comparable à celle obtenue en utilisant les désintégrations leptoniques du Z / The future International Linear Collider ILC is a project of a leptonic collider which aims to continue the physical program of the LHC. Using this collider, it will be possible to precisely measure the properties of the Higgs Boson, discovered in 2012 at the LHC. Two particle detectors are planned to equip the colliding point of the ILC, the International Large Detector ILD, and the Silicon Detector SiD. These two detectors are designed with the prospect of using particle flow algorithms. This innovative technique can improve the reconstruction and energy measurement of the jets. To apply these particle flow algorithms, highly granular calorimeters have to be used. The semi-digital hadronic calorimeter SDHCAL is proposed to equip the International Large Detector. This calorimeter uses Glass Resistive Plate Chambers as the active part. The readout is done using 1cm x 1cm channels. A prototype has been developed in 2011, mainly at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon, and regularly exposed to muons, electrons and hadrons beams at CERN. During this thesis, I mainly worked on the SDHCAL simulation program. Using the data taken in October 2015, I could improve the algorithm which simulates the response of the Glass Resistive Plate Chambers used in the prototype. A comparison of the topology of the electromagnetic and hadronic showers from data and simulation will be presented. Another part of this thesis is focused on the energy reconstruction of the hadronic showers in the SDHCAL. By using the SDHCAL simulation, I could study the impact of the electromagnetic component on the energy estimation of the hadronic showers, from which I could propose an alternative method for reconstructing the energy, which improves the performance of the SDHCAL. I could also study the impact of using a more advanced readout electronics on the energy estimation

En 2008, le futur collisionneur du CERN, le Large Hadron Collider (LHC), commencera à récolter les données issues des collisions entre protons à l'échelle du TeV, dans le but de comprendre la brisure de la symétrie électro-faible. Un grand nombre de réactions incluant de nombreuses particules dans l'état final doit être étudié avec précision. Ces possibilités de découverte du LHC ne pourront être pleinement exploitées que si le bruit de fond de la Chromodynamique Quantique est bien maîtrisé. Parmi les réactions comprenant plus de quatre particules, la production associée d'une paire de bosons de jauge faible (W, Z) associée à un jet constitue un des bruits de fond pour la recherche du boson de Higgs au LHC. Il est important de calculer cette réaction à l'approximation dite "au-delà des logarithmes dominants", qui consiste à ajouter à l'ordre dominant le plus bas les deux contributions suivantes : la correction virtuelle (c'est un calcul d'amplitudes à une boucle) et l'émission réelle (c'est un calcul d'amplitudes à l'arbre mais avec un parton de plus dans l'état final). Des expressions analytiques suffisamment compactes pour être évaluées numériquement ont été obtenues et sont en parfait accord avec les résultats de deux autres groupes de recherche indépendants. Quant à l'émission réelle, toutes les contributions ont été évaluées à l'aide de programmes de génération automatique d'amplitudes à l'arbre. Ainsi, nous sommes en mesure de présenter des prédictions précises concernant les corrections à l'ordre supérieur de la section efficace totale de cette réaction au LHC.

Le but premier de la physique des hautes énergies est d'améliorer notre connaissance de la structure fondamentale de la matière, et notamment des particules qui constituent le monde. L'une d'entre elles est le quark top, qui fut découvert en 1995 par les collaborations CDF et D0 auprès du collisionneur protons-antiprotons Tevatron. Un des buts principaux du Tevatron a été depuis l'étude fine des propriétés du quark top, et en particulier de la section efficace de production de paires top-antitop. Différentes analyses ont été menées dans les canaux leptons, dileptons, et tout hadronique afin de déterminer le plus précisément possible les valeurs de ces paramètres, et ainsi de tester la validité du Modèle Standard. Le but principal de cette thèse est de vérifier une des prédictions théoriques du Modèle Standard de la physique des particules, à savoir la section efficace de production top-antitop, auprès du collisionneur Tevatron. Le canal étudié est constitué d'un muon, d'un lepton tau, de leurs neutrinos associés, de de deux jets de quark b (l'un d'entre eux provenant d'un quark b, l'autre d'un anti-quark b). La reconstruction et l'identification des jets , des muons, des leptons taus (en particulier par l'utilisation d'un réseau de neurones dédié), et l'étiquetage des jets de b, représentent les éléments fondamentaux de cette étude. Au final, un bon accord entre les données et la simulation Monte Carlo est obtenu à la dernière étape de cette analyse. En outre, la mesure finale de la prédiction théorique au niveau NLL + NLO du calcul des pertubations sont compatibles. / The purpose of high energy physics is to improve our knowledge about the fundamental structure of matter, in particular about particles that constitute the world. One of these is the top quark, that was discovered in 1995 by the CFD and D0 collaborations at the Tevatron protons-antiprotons collider. One of the primary aim of the Tevatron has been then the fine study of the top quark propertiers, in particular the top-antitop production cross section. SDifferent analysis have been performed in the leptons, dileptons, and all-hadronic channels to determine accurately the values of these parmatersn and thus to test the validity of the Standard Model.The main goal of this thesis is to verify one of the theoretical predictions of the Standard Model of particle physics, the top-antitop production cross section, at the Tevatron collider. The channel studied is constituted by one muon, one tau lepton, their associated neutrinos, and two b-jets (one coming from the quark, the other one coming from a b anti-quark). The reconstruction and identification of jets, of muons, of taus (in particular with the use of a taus neural network), and the b-tagging of jets, represent the fundamental elements of this study. Endly, a good agreement between data and Monte Carlo simulation is obtained at the final stage of analysis. Moreover, the final measurement and the theoretical prediction at the NLL+NLO perturbations level are found to be compatible.

GLAST est la nouvelle génération de télescope spatial pour l'étude des rayons gamma et devrait très largement améliorer notre connaissance du ciel à haute énergie, dès son lancement en août 2007.<br />Les données du faisceau-test mené au GANIL avec des ions de basse énergie, ont permis de contribuer à l'étalonnage en énergie du LAT. Ces données ont été analysées pour mesurer la non-linéarité de la production de lumière dans le CsI en réponse au dépôt d'énergie des ions, des protons au krypton et pour des énergies allant de 0 à 73MeV par nucléon. Les résultats obtenus se sont révélés complémentaires aux mesures de scintillation du CsI, réalisées lors du faisceau-test mené au GSI pour des ions lourds relativistes . La connaissance de la non-linéarité de la réponse des cristaux de CsI de GLAST aux ions de haute énergie est indispensable pour réaliser l'étalonnage en énergie en orbite des détecteurs à l'aide des rayons cosmiques.<br /><br />Le rejet des évènements hadroniques est un autre problème clé pour GLAST, or, l'élaboration des algorithmes repose sur la simulation Monte-Carlo officielle de GLAST, GlastRelease. Les cascades hadroniques mesurées lors du faisceau-test mené au GSI et lors d'un autre faisceau-test mené au CERN sur le SPS, sont utilisées pour confronter les codes de simulation, disponibles sur la plate-forme logicielle GEANT4 qui est à la base de GlastRelease. En vérifiant la bonne reproduction de certaines observables simples, pour des cascades hadroniques générées par des protons ou de pions de .7GeV , 3.4GeV, 10GeV et 20GeV, on conclue qu'à haute énergie le modèle par défaut, LHEP, est valable, alors qu'à basse énergie, le modèle de cascade intranucléaire de Bertini devrait être utilisé.

Depuis 20 ans, les collisions entre ions lourds sont la seule façon d'étudier la matière hadronique dans le laboratoire. Le diagramme de phase de la matière hadronique reste encore méconnu malgré les efforts expérimentaux et théoriques qui ont été entrepris ces dernières décennies afin de mieux connaître ses transitions des phases. Après une introduction générale sur le sujet, nous aborderons plus en détail deux transitions de phases de la matière hadronique: la transition liquide gaz et la transition vers le plasma de quarks et de gluons. Une vue générale sur les méthodes expérimentales pour étudier ces transitions sera ensuite présentée dans le troisième chapitre. Les résultats principaux du programme d'ions lourds mené à bien au collisionneur RHIC à BNL (Upton, NY, Etas-Unis), seront présentés dans le quatrième chapitre. Le derniers 3 chapitres seront dédiés au futur programme d'ions lourds au collisionneur LHC au CERN (Genève, Suisse), en particulier à la seule expérience dédiée à cette physique, ALICE, et à son spectromètre à muons.

La photoproduction de mésons eta sur l'hydrogène a été mesurée du seuil jusqu'à une énergie de 1100 MeV dans l'expérience GRAAL effectuée en 1996-97 à l'ESRF à Grenoble dans une collaboration entre des groupes Italiens Français et Russes.<br>Un faisceau de photons étiquetés et polarisés linéairement a été produit en rétrodiffusant un faisceau laser sur le faisceau d'électrons de 6 GeV de l'anneau de l'ESRF. La cible a été d'hydrogène liquide de 3 cm. Un détecteur 4 pi a été utilisé, composé de trois couches de détecteurs: chambres à fil, compteurs à scintillation et calorimètres. Nous avions la charge d'installer et d'étalonner un double mur de scintillants (3x3 m) conçu pour détecter aux angles avant (1-25°) les particules chargées et mesurer leur pertes d'énergie et leurs temps de vol.<br>Nous avons analysé les résultats de la réaction g p -> eta p en identifant le eta dans le calorimètre latéral qui est une boule BGO et en détectant le proton dans les détecteurs à scintillation.<br />L'asymètrie faisceau Sigma a été extraite des distribution en phi du méson éta et a été établie en fonction de theta CM du eta pour 6 intervalles d'énergie incidentes allant du seuil jusqu'à 1100 MeV.<br>L'interprétation des résultats de l'asymètrie Sigma a été effectuée dans le cadre du modèle isobarique. La prise en compte des deux résonances, S11(1535) et D13(1520) n'a pas suffi pour expliquer nos résultats.<br />Il a fallu inclure en plus l'excitation des résonances P13(1720) et D13(1675) et P13(1880) la dernière étant manquante dans le tableau des résonances et récemment revélée par le modèle des quarks.

Mon travail concerne le test du modele standard par la determination précise des paramètres décrivant la resonance du Z: $M_Z$, $\Gamma_Z$, $\sigma_{had}^0$ et $R_{had}$, à partir des sections efficaces fermioniques mesurées par l'expérience Aleph sur les données accumulées de 1989 à 1994. La premiere partie rappelle la définition des observables utilisees dans la description des désintégrations $e^+e^-$. La deuxieme presente le collisionneur LEP et les méthodes employees pour la determination de l'energie des faisceaux, parametre constituant la source principale d'incertitude dans la connaissance de $M_Z$ et $\Gamma_Z$. La troisieme partie presente le cadre de l'experience Aleph et la mesure de luminosité qui y est effectuee. Puis sont décrits la sélection des désintégrations hadroniques du $Z$ et le travail effectue sur l'amélioration des incertitudes systématiques. Ce dernier conduit à une mesure de la section efficace au niveau de 1 pour mille. Les sections efficaces leptoniques mesurées à Aleph y sont également reportées. Les paramètres de la résonance du $Z$ sont alors dérivés. Un accord remarquable de ces résultats avec les valeurs prédites par le modèle standard des interactions électrofaibles est obtenu. L'interprétation de ces mesures dans le cadre de ce modèle permet alors la détermination du nombre de familles de neutrinos légers et l'établissement de contraintes sur la masse du quark top manquant, en bon accord avec les mesures directes de Fermilab.

L'expérience Graal est consacrée à la spectroscopie nucléonique via la photo-production des mésons et en particulier à la mesure des observables de polarisation, qui donne des informations plus claires sur les contributions résonnantes aux états excités du nucléon. L'ensemble expérimentale est composé d'un faisceau Compton d'énergie entre 0.5 et 1.5 GeV, produit par rétro-diffusion d'un faisceau laser d'Argon sur les électrons de 6 GeV de l'anneau de stockage de l'ESRF, situé à Grenoble (France). Le programme de reconstruction des traces d'un détecteur composé de deux chambres cylindriques à multifils a été optimisé pour la mesure des canaux de réaction avec trois particules chargées dans l'état final. La résolution spatiale et l'efficacité de ce détecteur ont été estimées et testées avec la photo-production de eta et omega sur le proton et avec la décroissance chargée du méson en trois pions. L'asymétrie faisceau Sigma, obtenue avec une polarisation linéaire des photons, a été mesurée pour la première fois dans la réaction gamma+p -> K+Lambda du seuil jusqu'à 1.5 GeV pour l'énergie du photon dans le repère du laboratoire. Cette observable peut en effet être plus sensible, par rapport à la section efficace, à certaines contributions résonnantes. La comparaison de l'asymétrie faisceau avec un nouveau modèle isobarique, qui a été étendu jusqu'aux énergies de 2.5 GeV dans le système du centre de masse, a montré que cette observable est plus sensible aux résonances nucléoniques qu'à celles hypéroniques.