Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes sont considérées comme un outil unique pour produire, enlaboratoire, un milieu chaud et dense interagissant fortement, le Plasma de Quarks etde Gluons (PQG). Cette thèse est dédiée à l’étude de deux sondes, les J/ψ et les bosons Z, qui peuvent aider àatteindre une meilleure compréhension des propriétés du PQG.Dans les collisions d’ions lourds, il existe une observable importante pour étudier la formation du PQG, c’est lamesure de la production des J/ψ. L’importance des différents effets qui peuvent augmenter ou supprimer cetteproduction varie avec l’énergie de la collision. Dans cette thèse, la production des J/ψ est mesurée avec lescollisions Pb-Pb à √sNN =5.02 TeV, en utilisant principalement le spectromètre à muons du détecteur ALICE. Lefacteur de modification nucléaire des J/ψ est présenté en fonction de la centralité des collisions, la rapidité etl’impulsion transversale (pT). En outre, les résultats sur le pT moyen du J/ψ sont présentés. La comparaison entreles résultats expérimentaux et divers calculs théoriques suggère que la production du J/ψ est affectée dans le milieupar deux processus concurrents : le dissociation et le régénération.Dans les collisions d’ions lourds, l'état initial de la collision peut aussi affecter les résultats, en l'absence deformation du PQG. La compréhension et la quantification des tels effets est crucial pour les séparer de ceuxprovoqués par la présence du PQG. Un de ces effets est la modification nucléaire des fonctions de distribution despartons (PDFs). La mesure de production du boson Z dans les collisions d’ions lourds est un outil puissant pourétudier la modification nucléaire des PDFs car il n’est pas affectés par la présence d'une matière en forteinteraction. La seconde partie de cette thèse est dévolue à la mesure de la production des bosons Z, pour lapremière fois dans ALICE, avec les collisions p-Pb et Pb-Pb à √sNN =5.02 TeV. Dans les collisions Pb-Pb où laprécision de la mesure est plus élevée, l'accord entre les données et des calculs théoriques est meilleur lorsque cesderniers prennent en compte la modification nucléaire des PDFs. / Ultra relativistic heavy-ion collisions are considered as a unique tool to produce, in the laboratory, thehot and dense strongly-interacting medium, the Quark-Gluon Plasma (QGP). This thesis is dedicated to the studyof two powerful probes, the J/ψ and Z-boson, that can help reaching a better understanding of the properties of theQGP.An important observable to study the QGP formation in heavy-ion collisions is the measurement of the J/ψproduction. The sizes of the different effects that can enhance or suppress this production vary with the collisionenergy. In this thesis, the J/ψ production is measured in Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV using mainly themuon spectrometer of the ALICE detector. The J/ψ nuclear modification factor is presented as a function ofcollision centrality, rapidity and transverse momentum (pT). In addition, results on the J/ψ average pT and squaredaverage pT are also obtained. The comparison between the results and various theoretical calculations suggests thatthe J/ψ production is affected in the medium by an interplay between dissociation and regeneration mechanisms.In heavy-ion collisions, the initial state of the collision can affect the results even in the absence of the QGP.Understanding and quantifying such effects is crucial in order to separate them from the ones caused by thepresence of the QGP. One of these effects is the nuclear modification of the parton distribution functions (PDFs).The measurement of Z-boson production in heavy-ion collisions is a powerful tool to study the nuclearmodification of PDFs since it is not affected by the presence of the strongly-interacting medium. The second partof this thesis is devoted to measure the Z-boson production, for the first time with ALICE, in p-Pb and Pb-Pbcollisions at √sNN = 5.02 TeV. In Pb-Pb collisions where the precision of the measurement is higher, the agreementbetween data and theoretical calculations is better when the latter take into account the nuclear modification of thePDFs.

L’équation d’état de la matière nucléaire est un outil primordial dans la description des collisions entreions lourds, mais également dans la description de la formation d’objets ou de phénomènes astrophysiques(structure des étoiles à neutrons, fusion d’étoiles à neutron). Établir l’équation d’état de la matière nucléairerequiert de définir de manière précise les conditions thermodynamiques (densité, température, asymétrie pro-ton/neutron) dans lesquelles le systèmes évolue. Dans ce travail, nous abordons la problématique de l’étatd’équilibration maximal qui est atteint dans les collisions entre ions lourds, en terme d’énergie et d’isospin.Pour cela, nous utilisons la base de données expérimentale du multi-détecteur INDRA construite par lacollaboration au cours de ces 25 dernières années, en nous intéressant plus particulièrement aux collisionscentrales dans le domaine de l’énergie de Fermi, entre 10 et 100 MeV/nucléon. Nous présentons ainsi dansce document, comment à l’aide de simulation dédiées, il nous a été possible de relier le pouvoir d’arrêt de lamatière nucléaire à la section efficace de collision nucléon-nucléon dans la matière nucléaire. Nous apportonségalement des éléments de réponse au regard du transport de l’isospin dans les collisions centrales à l’aidedes rapports isobariques A = 3 construits à partir des tritons et des hélium-3. Ces différents résultats nouspermettent de mettre en avant le nouveau dispositif expérimental mis en place par les collaborations INDRAet FAZIA : le multi-détecteur FAZIA. Ce dernier est le résultat d’une période de recherche et développementde dix ans, ayant abouti à un multi-détecteur embarquant son électronique numérique sous vide, avec desperformances d’identification accrues (mesure de la charge Z et de la masse A jusqu’à Z = 25) par rapportaux multi-détecteurs des générations précédentes. / The nuclear matter equation of the state is an essential tool in the description of heavy ion collisions,but also in the description of the formation of astrophysical objects or phenomena (neutron star structure,neutron stars fusion). Establishing the nuclear matter equation of state requires a proper definition of thethermodynamic conditions (density, temperature, proton/neutron asymmetry) in which the system evolves.In this work, we address the issue of equilibration reached in heavy ion collisions, in terms of energy andisospin. To do this, we use the experimental database of the INDRA array built by the collaboration over thepast 25 years, focusing on central collisions in the Fermi energy domain, between 10 and 100 MeV/nucleon.In this document, we present how, with the help of dedicated simulations, it has been possible to link thestopping power of nuclear matter to the in-medium nucleon-nucleon cross-section. We also provide someanswers regarding isospin transport in central collisions using the isobaric ratios A = 3 based on the tritonsand helium-3 particles. These different results allow us to highlight the new experimental apparatus devel-loped by the INDRA and FAZIA collaborations : the FAZIA array. The latter is the result of a ten-yearperiod of research and development, resulting in an array embedded its digital electronic under vacuum, withincreased identification performance (measurement of the Z charge and A mass up to Z = 25) compared tothe previous generations arrays.

Title: Study of proton-proton and heavy-ion collisions with the ATLAS experi- ment at the LHC Author: Mgr. Petr Balek Department: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor: Doc. RNDr. Jiří Dolejší, CSc. Abstract: The presented results show a suppression in a production of charged hadrons in heavy-ion collisions with respect to the production measured in proton- proton collisions. Lead-lead data at √ sNN = 2.76 TeV were recorded by the AT- LAS experiment at the LHC in 2010 and 2011 and they have a total integrated luminosity of 0.15 nb−1 , and proton-proton data at √ s = 2.76 TeV were recorded in 2011 and 2013 having an integrated luminosity of 4.2 nb−1 . The results are presented in wide transverse momentum (0.5 < pT < 150 GeV) and pseudorapid- ity (|η| < 2) ranges, and also in different centrality intervals of Pb+Pb collisions. Nuclear modification factor RAA shows a clear pT-dependence with a minimum at around 7 GeV, however above 60 GeV, it reaches a plateau with no significant pT-dependence. As a function of |η|, the RAA is flat over whole pT region. Keywords: ATLAS detector, heavy-ion collisions, charged-hadron spectra, nuclear modification factor RAA

In relativistischen Schwerionenkollisionen spielen seltsame Teilchen bei der Untersuchung heißer und dichter Materie eine wichtige Rolle. Dazu wird die Produktion von Hadronen mit Strangeness-Inhalt mit Hilfe eines Transportmodells vom Boltzmann-Ühling-Uhlenbeck (BUU)-Typ numerisch behandelt. Aktuelle Messungen der HADES-Kollaboration bezüglich K+- - und phi-Spektren bilden dabei den entsprechenden experimentellen Rahmen. Darüber hinaus wird das doppelt-seltsame Hyperon Xi- unterhalb der freien NN-Produktionsschwelle analysiert. Hadronische Multiplizitäten, Transversalimpuls- und Rapiditätsspektren werden mit neuen experimentellen Ergebnissen verglichen. Weiterhin werden Massenverschiebungen im Medium, die nukleare Zustandsgleichung sowie das mittlere Feld der Nukleonen berücksichtigt. Neben der Untersuchung von Kern-Kern-Stößen bietet sich in Proton-Kern-Kollisionen ein Vergleich mit jüngsten ANKE-Daten im Hinblick auf die phi-Ausbeute an. Mit Hilfe des BUU-Transportcodes wurden Tranzparenzverhältnisse ermittelt und die Absorption von phi-Mesonen untersucht. Dabei sind sekundäre phi-Produktionskanäle, Isospin-Asymmetrie und Detektorakzeptanzen von Bedeutung und werden systematisch für verschiedene Systemgrößen analysiert. Die impulsintegrierten Boltzmann-Gleichungen dienen im Rahmen einer kinetischen Nichtgleichgewichtsdynamik der Beschreibung hochkomprimierter nuklearer Materie auf hadronischem Niveau, wie sie sowohl beim Urknall als auch bei ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen auftritt. Diese Theorie wird am Beispiel von Antiprotonen untersucht und unter Berücksichtigung verschiedener Expansionsmodelle numerisch ausgewertet. Dabei wird die Evolution der Proton- und Antiprotondichten bis zum Ausfrieren für SPS- und RHIC-Energien mittels eines hadro-chemischen Resonanzgasmodells als möglicher Lösungsansatz des "Antiproton-Puzzles" analysiert. Diskutiert wird darüber hinaus das Verhalten baryonischer Materie und Antimaterie im frühen Universum und der adiabatische Pfad kosmischer Materie im QCD-Phasendiagramm. / Strange particles play an important role as probes of relativistic heavy-ion collisions where hot and dense matter is studied. The focus of this thesis is on the production of strange particles within a transport model of Boltzmann-Ühling-Uhlenbeck (BUU) type. Current data of the HADES Collaboration concerning K+- and phi spectra provide the appropriate experimental framework. Moreover, the double-strange hyperon Xi- is analyzed below the free NN production threshold. Hadron multiplicities, transverse-momentum and rapidity spectra are compared with recent experimental data. Further important issues are in-medium mass shifts, the nuclear equation of state as well as the mean field of nucleons. Besides the study of AA collisions a comparison with recent ANKE data regarding the phi yield in pA collisions is done. Transparency ratios are determined and primarily investigated for absorption of phi mesons by means of the BUU transport code. Thereby, secondary phi production channels, isospin asymmetry and detector acceptance are important issues. A systematic analysis is presented for different system sizes. The momentum integrated Boltzmann equations describe dense nuclear matter on a hadronic level appearing in the Big Bang as well as in little bangs, in the context of kinetic off-equilibrium dynamics. This theory is applied to antiprotons and numerically calculated under consideration of various expansion models. Here, the evolution of proton- and antiproton densities till freeze-out is analyzed for ultra-relativistic heavy-ion collisions within a hadrochemic resonance gas model acting as a possible ansatz for solving the "antiproton puzzle". Furthermore, baryonic matter and antimatter is investigated in the early universe and the adiabatic path of cosmic matter is sketched in the QCD phase diagram.

<p>Spin-orbit interactions cause a global polarization [P] of Lambda (anti-Lambda) hyperons with the vorticity (or total angular momentum) in the participant collision zone. The strong magnetic field mainly created by the spectator protons would split the Lambda and anti-Lambda global polarization [Delta P]. Quantum chromodynamics (QCD) predicts topological charge fluctuation in vacuum, resulting in a chirality imbalance, or parity violation in a local domain. This would give rise to an imbalanced left- and right-handed Lambda (anti-Lambda) [Delta n], as well as a charge separation along the magnetic field, referred to as the chiral magnetic effect (CME). The latter can be characterized by the parity-even [Delta gamma] and parity-odd [Delta a1] observables. While measurements of the individual [Delta P], [Delta gamma], and [Delta a1] have not led to affirmative conclusions on the CME or the magnetic field, correlations among these observables may reveal new insights. We report exploratory measurements of event-by-event correlations between [Delta P] and [Delta gamma], and between [Delta n] and [Delta a1] by the STAR experiment in Au+Au collisions at 27 GeV. No correlations have been observed beyond statistical fluctuations. Future endeavor would be to extract an upper limit from the data as well as to apply the correlation analysis to other data samples.</p>

Les collisions d’ions lourds à haute énergie du grand collisionneur de hadrons, permettent d'étudier les propriétés de la matière nucléaire et de produire l'état chaud et dense de la matière déconfinée connu sous le nom de plasma de quarks et de gluons (QGP). Afin d'étudier les effets dus à la matière nucléaire dans les collisions d'ions lourds, la production de deux sondes dures importantes est étudiée dans cette thèse: les bosons W et les charmonia (mésons J/ψ et ψ(2S)).Les effets de la matière nucléaire froide, associés à la modification nucléaire des fonctions de distribution des partons (PDF), peuvent être caractérisés en étudiant la formation des bosons W dans les collisions d'ions lourds. En effet, la production des bosons W est déterminée par la diffusion dure initiale, puisque ces bosons n'interagissent pas fortement avec le milieu induit par la collision. L'analyse de la production des bosons W dans les collisions p-Pb à sqrt(s[NN]) = 8,16 TeV avec le détecteur CMS est présentée dans la première partie de cette thèse. Les résultats sont en bon accord avec les calculs des PDFs incluant les modifications nucléaires, alors qu'ils excluent significativement l'hypothèse de nucléons libres, pour des fractions d’impulsion x petite. Puisque les mesures sont plus précises que les calculs des modèles, les résultats des bosons W ont le potentiel de contraindre les paramétrisations des PDF nucléaires, ce qui pourrait améliorer notre compréhension des effets des PDF sur d'autres sondes dures, comme les charmonia.La production des charmonia est sensible à la formation et à l'évolution du milieu forte interaction formé lors de collisions d'ions lourds, en faisant ainsi une excellente sonde du QGP. La suppression ou l'augmentation des différents états du charmonium sont considérées comme des signatures de la présence du QGP. Dans cette thèse, la production prompte et non-prompte des mésons J/ψ est mesurée dans des collisions Pb-Pb à sqrt(s[NN]) = 5,02 TeV. De plus, la modification des mésons ψ(2S) par rapport aux mésons J/ψ est mesurée pour le même système de collision. Le facteur de modification nucléaire des charmonia est déterminé en fonction de la centralité, de la rapidité et de l'impulsion transverse pT. La production des mésons J/ψ prompts est supprimée dans les collisions Pb-Pb par rapport aux collisions p-p normalisés par le nombre de collisions binaires, bien qu'une suppression plus faible soit observée à 3 < pT < 6,5 GeV/c dans les collisions centrales. La production des quarks b, sondés par les charmonia non prompts, est également supprimée dans toute la région cinématique mesurée, et une plus faible suppression est observée à haut pT. En ce qui concerne les mésons ψ(2S), ils se révèlent plus fortement supprimés que les mésons J/ψ dans les collisions Pb-Pb. / Heavy ions are collided at high energies at the Large Hadron Collider, allowing to study the properties of nuclear matter and to produce the hot and dense state of deconfined matter known as the Quark-Gluon Plasma (QGP). In order to probe the nuclear matter effects present in heavy-ion collisions, this thesis study the production of two important hard probes: W bosons and charmonia (J/ψ and ψ(2S) mesons).The cold nuclear matter effects, associated to the nuclear modification of the parton distribution functions (PDFs), can be characterised by studying the formation of W bosons in heavy-ion collisions. The production of W bosons represents an important tool to asses the PDF modifications, which impact the initial hard scattering, since these bosons do not interact strongly with the collision-induced medium. The analysis of the W-boson production in p-Pb collisions at sqrt(s[NN]) = 8.16 TeV with the CMS detector is presented in the first part of this thesis. The results are in good agreement with PDF calculations including nuclear modifications, while they strongly disfavour the free-nucleon hypothesis at small momentum fractions x. Since the measurements are more precise than the model calculations, the W-boson results have the potential to constrain the nuclear PDF parametrisations, which could eventually improve our understanding of the PDF effects on other hard probes, such as charmonia.The production of charmonia is sensitive to the formation and evolution of the strongly-interacting medium formed in heavy-ion collisions, thus making of it an excellent probe of the QGP. The suppression or enhancement of the different charmonium states is considered a signature of the presence of the QGP. In this thesis, the production of prompt and nonprompt J/ψ mesons is measured in Pb-Pb collisions at sqrt(s[NN]) = 5.02 TeV. In addition, the modification of the ψ(2S) mesons relative to J/ψ mesons is reported for the same collision system. The nuclear modification factor of charmonia is determined as a function of centrality, rapidity and transverse momentum pT. The production of prompt J/ψ mesons is suppressed in Pb-Pb collisions compared to binary-scaled p-p collisions, although a weaker suppression is observed at 3 < pT < 6.5 GeV/c in central Pb-Pb collisions. The production of b quarks, probed by the nonprompt charmonia, are also suppressed over the full kinematic region measured, and a reduced suppression is observed at high pT. Regarding the ψ(2S) mesons, they are found to be more strongly suppressed than J/ψ mesons in Pb-Pb collisions.

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This doctoral study consists of two parts. In the first part, the quantum statistical effects on the formation process of the heavy ion fusion reactions have been investigated by using the c-number quantum Langevin equation approach. It has been shown that the quantum effects enhance the over-passing probability at low temperatures. In the second part, we have developed a simulation technique for the quantum noises which can be approximated by two-term exponential colored noise.

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) bei der Schwerionentherapie ist eine wichtige Methode zur Qualitätskontrolle in der Tumortherapie mit Kohlenstoffionen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Verbesserungen des PET-Verfahrens, wodurch sich in der Folge präzisere Aussagen zur Dosisapplikation treffen lassen. Aufbauend auf den Grundlagen (Kap. 2) werden die Neuentwicklungen in den drei darauf folgenden Abschnitten (Modellierung des Abbildungsprozesses bei der PET, Streukorrektur für PET bei der Schwerionentherapie, Verarbeitung der rekonstruierten PET-Daten) beschrieben. Die PET-Methode bei der Schwerionentherapie basiert auf dem Vergleich zwischen den gemessenen und vorausberechneten Aktivitätsverteilungen. Die verwendeten Modelle in der Simulation (Erzeugung der Positronenemitter, deren Ausbreitung, der Transport und der Nachweis der Annihilationsquanten) sollten so präzise wie möglich sein, damit ein aussagekräftiger Vergleich möglich wird. Die Genauigkeit der Beschreibung der physikalischen Prozesse wurde verbessert und zeiteffiziente Algorithmen angewendet, die zu einer erheblichen Verkürzung der Rechenzeit führen. Die erwarteten bzw. die gemessenen räumlichen Radioaktivitätsverteilungen werden mit einem iterativen Verfahren rekonstruiert [Lau99]. Die gemessenen Daten müssen hinsichtlich der im Messobjekt auftretenden Comptonstreuung der Annihilationsphotonen korrigiert werden. Es wird ein geeignetes Verfahren zur Streukorrektur für die Therapieüberwachung vorgeschlagen und dessen Realisierung beschrieben. Zur Einschätzung der Güte der Behandlung wird die gemessene und die simulierte Aktivitätsverteilung verglichen. Dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Software entwickelt, das die rekonstruierten PET-Daten visualisiert und die anatomischen Informationen des Röntgentomogramms mit einbezieht. Nur durch dieses Auswerteverfahren war es möglich, Fehler im physikalischen Strahlmodell aufzudecken und somit die Bestrahlungsplanung zu verbessern.