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Les calculs de chromodynamique quantique sur réseau prévoient, que pour un potentiel baryonique nul et une température de T ∼ 173 MeV , il devrait être possible d'observer une transition de la phase de la matière hadronique vers un plasma de quarks et de gluons. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes devraient permettre de mettre en évidence ce changement de phase. Les saveurs lourdes peuvent être utilisées pour sonder les premiers instants des collisions pendant lesquels la température est la plus élevée. Le LHC va permettre d'étudier les collisions entre noyaux de plomb et les collisions entre protons à une énergie jamais égalée : √s = 5.5 TeV (√sNN = 14 TeV ) pour le plomb (les protons). Le détecteur ALICE est dédié à l'étude des collisions d'ions lourds mais peut également mesurer les collisions entre protons. Il est équipé d'un spectromètre à muons conçu pour l'étude des saveurs lourdes. Cette thèse présente les performances du spectromètre pour la mesure de la section efficace de production inclusive des hadrons beaux (B) et charmés (D) dans les collisions proton-proton. La première étape de cette mesure consiste à extraire les distributions des muons de décroissance des hadrons B et D. L'étape suivante consiste à extrapoler les distributions aux sections efficaces de production inclusive des hadrons. Cette thèse contient également une étude préliminaire des performances du spectromètre pour la mesure du rapport de modification nucléaire et de l'observable associée nommée RB=D dans les collisions plomb-plomb de centralité0−10%. L'accent est porté sur les incertitudes et l'intervalle en impulsion transverse sur lequel ces observables pourront être mesurées. / Lattice quantum chromodynamics calculations predict a transition from the phase of hadronic matter to quark and gluon plasma for a temperature T ∼ 173 MeV and a vanishing baryonic potential. Ultra-relativistic heavy ion collisions allow to highlight this phase transition. Heavy flavours can be used to probe the first instants of the collisions where the temperature is the highest. The LHC will provide proton-proton and lead-lead collisions at unprecedented large energy (√s = 14 TeV and √sNN = 5.5 TeV respectively). The ALICE detector is dedicated to heavy ion collisions but it can also measure proton-proton collisions. The detector includes a muon spectrometer. The spectrometer has been disigned to measure heavy flavours. This PhD thesis presents the performance of the spectrometer to measure beauty hadrons (B) and charmed hadrons (D) inclusive production cross-section in proton-proton collisions. The first step of the measurement consists in extracting heavy hadron decayed muon distributions. The next step consists in extrapolating these distributions to heavy hadrons inclusive production cross-section. This PhD thesis also presents a preliminary study of the performance of the spectrometer for the measurement of the nuclear modification factor and the associated observable named RB=D in 0−10% central heavy ions collisions. Uncertainties and transverse impulsion range of extraction of the observables have been investigated.

Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital τ operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and τ. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital τ semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e τ. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.

L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C. / Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C.

Ce mémoire de thèse aborde la caractérisation expérimentale du transfert thermique à l’échelle nanométrique dans des matériaux compatibles avec les procédés de la micro-électronique. Pour cela deux techniques de caractérisation sont appliquées chacune à deux différents systèmes, le silicium mésoporeux irradié et les membranes de silicium suspendues. La première technique de caractérisation est la thermométrie micro-Raman. La puissance du laser chauffe l'échantillon exposé. La détermination de la conductivité thermique nécessite la modélisation de la source de chaleur par la méthode des éléments finis. Dans les cas considérés la modélisation de la source de chaleur repose sur différents paramètres qui doivent être soigneusement déterminés. La seconde technique de caractérisation est la microscopie à sonde locale (d’acronyme anglais SThM), basée sur le principe de la microscopie à force atomique (d’acronyme anglais AFM). Utilisée en mode actif, la sonde AFM est remplacée par une sonde résistive de type Wollaston qui est chauffée par effet Joule. Utilisée en mode AFM contact, cette technique permet une excitation thermique locale du matériau étudié. La détermination de la conductivité thermique nécessite l'analyse de la réponse thermique de la sonde au moyen d'échantillons d'étalonnage et également via la modélisation dans le cas des géométries complexes. L'effet de la position de la pointe sur le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon est étudié. Une nouvelle méthode de découplage entre le transfert de chaleur entre la pointe et l'échantillon, respectivement à travers l'air et au contact, est proposée pour la détermination de la conductivité thermique des géométries complexes. Les résultats obtenus avec les deux techniques pour les échantillons de silicium mésoporeux irradiés à l’aide d’ions lourds dans le régime électronique sont en bon accord. Ils montrent la dégradation de la conductivité thermique du silicium mésoporeux suite à une augmentation dans la phase d’amorphe lorsque la dose d’irradiation croît. Les résultats obtenus sur les membranes de silicium suspendues montrent une réduction de la conductivité thermique de plus de 50 % par rapport au silicium massif. Lorsque la membrane est perforée périodiquement afin de réaliser une structure phononique de période inférieure à 100 nm, cette réduction est approximativement d’un ordre de grandeur. Un chapitre introduisant un matériau prometteur à base de silicium pour observer des effets de cohérence phononique conclut le manuscrit. / This PhD thesis deals with the experimental characterization of heat transfer at the nanoscale in materials compatible with microelectronic processes. Two characterization techniques are applied to two different systems, irradiated mesoporous silicon and suspended silicon membranes. The first characterization technique is micro-Raman thermometry. The laser power heats up the exposed sample. The determination of the thermal conductivity requires the modeling of the heat source using finite element simulations. The modeling of the heat source relies on different parameters that should be carefully determined. The second characterization technique is Scanning Thermal Microscopy (SThM), an Atomic Force Microscopy (AFM)-based technique. Operated in its active mode, the AFM probe is replaced by a resistive Wollaston probe that is heated by Joule heating. Used in AFM contact mode, this technique allows a local thermal excitation of the studied material. The determination of the thermal conductivity requires the analysis of the thermal response of the probe using calibration samples and modeling when dealing with complicated geometries. The effect of the tip position on heat transfer between the tip and the sample is studied. A new method decoupling the heat transfer between the tip and the sample, at the contact and through air, is proposed for determining the thermal conductivity of complicated geometries. The results obtained from the two techniques on irradiated mesoporous silicon samples using heavy ions in the electronic regime are in good agreement. They show a degradation of the thermal conductivity of mesoporous silicon due to the increase in the amorphous phase while increasing the ion fluence. The results obtained on suspended silicon membrane strips show a decrease in the thermal conductivity of more than 50 % in comparison to bulk silicon. When perforated into a phononic structure of sub-100 nm period, the membrane thermal conductivity is about one order of magnitude lower than the bulk. A chapter introducing a promising silicon-based material for the evidence of phonon coherence concludes the manuscript.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif l'étude d'un état de matière en interaction forte dans des conditions extrêmes de densité d'énergie et température, le plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites principalement lors de processus durs aux premiers instants de la collision et participent aux différentes étapes de la collision. Par conséquent, la mesure des saveurs lourdes ouvertes devrait permettre d'extraire des informations importantes concernant le système créé aux premiers instants de la collision. L'étude des collisions proton-proton (pp) fournit la référence indispensable pour la mesure des saveurs lourdes dans les systèmes lourds. Cette thèse est dédiée à l'étude de la production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux aux rapidités avant (2.5 < y < 4) dans les collisions pp sqrt (s) = 5.02 TeV, Pb-Pb à sqrt (sNN) = 2.76 et 5.02 TeV et Xe-Xe à sqrt (sNN) = 5.44 TeV enregistrées avec le détecteur ALICE au CERN-LHC. La mesure des sections efficaces différentielles de production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux dans les collisions pp à sqrt (s) = 5.02 TeV couvre un grand domaine en impulsion transverse de 2 à 20 GeV/c et ont une meilleure précision par rapport aux résultats publiés à sqrt (s) = 2.76 et 7 TeV. Les résultats sont en bon accord avec les calculs perturbatifs de QCD. Une importante suppression de la production des muons de décroissance des hadrons charmés et beaux est observée dans les collisions centrales (0-10%) Pb-Pb à sqrt (sNN) = 2.76 et 5.02 TeV. Cette suppression est attribuée au milieu dense et chaud formé dans ces collisions. L'influence de la taille du système est étudiée avec le système Xe-Xe à sqrt (sNN) = 5.44 TeV. La suppression est similaire à celle mesurée dans les collisions Pb-Pb. Les résultats obtenus dans les collisions Pb-Pb et Xe-Xe apportent des contraintes fortes aux paramètres des modèles. / The study of ultra-relativistic heavy-ion collisions aims at investigating a state of strongly-interacting matter at high energy density and temperature, the Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm and beauty) are predominantly produced in initial hard scattering processes during the early stage of the collisions and experience the full evolution of the medium. Therefore, the measurement of open heavy flavours should provide essential information on the QGP properties. Similar measurements in small systems are also essential for a comprehensible understanding of the QGP properties. The study of open heavy flavours in proton-proton (pp) collisions provides the mandatory reference for measurements in heavy-ion collisions. This thesis presents measurements of the production of muons from heavy-flavour hadron decays at forward rapidity (2.5 < y < 4) in pp collisions at sqrt (s) = 5.02 TeV, Pb-Pb collisions at sqrt (sNN) = 2.76 and 5.02 TeV and Xe-Xe collisions at sqrt (sNN) = 5.44 TeV collected with the ALICE detector at the CERN-LHC. The differential production cross sections of muons from heavy-flavour hadron decays in pp collisions at sqrt (s) = 5.02 TeV are obtained in a wide transverse momentum interval, 2 < pT < 20 GeV/c, and with an improved precision compared to the previously published measurements at sqrt (s) = 2.76 and 7 TeV. The measurements are described within uncertainties by predictions based on perturbative QCD. A strong suppression of the yield of muons from heavy-flavour decays is observed in the 10% most central Pb-Pb collisions at both sqrt (sNN) = 2.76 and 5.02 TeV. This suppression is due to final-state effects induced by the hot and dense medium. The suppression in Xe-Xe collisions is similar to that observed with Pb-Pb collisions. The comparison in the two colliding systems provides insight in the path-length dependence of medium-induced parton energy loss. The results constrain model calculations.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes ont pour objectif principal l'étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes et de température de densité d'énergie. Les calculs de la ChromoDynamique Quantique (QCD) prédisent dans ces conditions une nouvelle phase de la matière dans laquelle on assisterait au déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et gluons (QGP). Les saveurs lourdes (charme et beauté) sont produites lors de processus durs aux premieres instants de la collision puis traversent le milieu produit durant la collision. Par conséquent, la mesure des quarkonia et des saveurs lourdes ouvertes devrait être particulièrement intéressante pour l'étude des propriétés du système créé aux premiers instants de la collision. On s'attend à ce que les saveurs lourdes ouvertes présentent des sensibilités à la densité d'énergie via les mécanismes de perte d'énergie des quarks lourds dans le milieu et que les quarkonia soient sensibles à la température initiale du système via leur dissociation par écrantage de couleur. La mesure du flot des saveurs lourdes devrait apporter des informations concernant le degré de thermalisation des quarks lourds dans le milieu nucléaire. De plus, l'observable viscosité/entropie pourrait être obtenue en combinant les mesures du facteur de modification nucléaire et de flot. En conséquence, l'étude de la production des quqrkonia et saveurs lourdes ouvertes est un domaine de recherche intensément étudié au niveau experimental et théorique. Les mesures effectuées au SPS et RHIC ont permis de mettre en évidence plusieurs caractéristiques du milieu produit mais ont aussi laissé plusieurs questions sans réponse. Avec une énergie par paire de nucléon de 15 fois supérieure à celle du RHIC, le LHC entré en fonctionnement fin 2009, a ouvert une nouvelle ère pour l'étude des propriétés du QGP. Un des plus importants aspects de ce domaine en énergie est l'abondante production de quarks lourds utilisés pour la première fois comme sonde de haute statistique du milieu. Le LHC délivra les premières collisions pp à √s = 0.9 TeV en octobre 2009 et a atteint l'énergie de √s = 7 TeV en mars 2010. Un run pp à √s = 2.76 TeV a eu lieu en mars 2011 pendant une durée limitée. Les runs Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV ont eu lieu fin 2010 et 2011. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) est l'expérience dédiée à l'étude des collisions d'ions lourds au LHC. ALICE enregiste aussi des collisions pp afin de tester les calculs perturbatifs de QCD dans la région des faibles valeurs de x-Bjorken et de fournir la référence indispensable pour l'étude des collisions noyau-noyau et p-noyau. ALICE enregistrera aussi, début 2013, des collisions p-Pb/Pb-p afin d'étudier les effets nucléaires froids. Les quarkonia et saveurs lourdes ouvertes sont mesurés dans ALICE suivant leur mode de désintégration (di)-muonique, (di)-electronique et hadronique. Cette thèse concerne l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp et Pb-Pb avec les muons simples mesurés aux rapidités avant avec le spectromètre à muons d'ALICE. Le document est structuré comme suit. Le premier chapitre est une introduction à la physique des collisions d'ions lourds et du diagramme de phase de la matière nucléaire. Le deuxième chapitre présente les objectifs de l'étude des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions proton-proton, proton-noyau et noyau-noyau. Un intérêt particulier est porté au domaine en énergie du LHC. Le troisième chapitre est une description du détecteur ALICE et du spectromètre à muons. Le quatrième chapitre présente les systèmes "online" et "offline". Le cinquième chapitre est un résumé des performances du spectromètre à muons pour la mesure des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp au moyen des muons simples et dimuons. Les chapitres 6 à 9 concernent l'analyse de données. (...) / Résumé indisponible

CBM, une des expériences majeures du nouvel accélérateur FAIR en cours de construction au GSI (Darmstadt), a pour objectif d'explorer le diagramme des phases de la matière nucléaire dans la région des hautes densités baryoniques nettes. Un de ses principaux thèmes de physique est l'étude de la production des particules à charme ouvert dans les collisions d'ions lourds. La mesure directe de ces particules nécessite l’utilisation d’un détecteur de vertex très précis. La présente thèse est une contribution à la conception et au développement de ce détecteur, appelé MVD. Une première partie de la thèse concerne l’évaluation, à l’aide de simulations réalistes, des flots de données à transmettre par les capteurs qui équiperont la première génération du MVD. Les résultats obtenus montrent que les performances attendues des capteurs permettront de mener à bien le programme de physique de CBM. Une deuxième partie porte sur les performances attendues pour la reconstruction des particules à charme ouvert, à travers leur désintégration hadronique, dans les collisions Au+Au. Des simulations détaillées ont permis de démontrer que la reconstruction du méson D+ → π+ π+ K-, par exemple, est faisable avec une efficacité de reconstruction de 2% et un rapport signal/bruit de 1.5. La statistique attendue en deux mois de prises de données a été évaluée à environ 6.9 x 104 mésons D. Dans la dernière partie, il a été montré que cette statistique permettrait d’effectuer des études détaillées du flot elliptique intégré des mésons D. La mesure du flot elliptique différentiel de ces particules requerrait, cependant, des statistiques plus élevées, et donc l’utilisation de capteurs plus performants. / CBM, one of the main experiments of the new FAIR accelerator under construction at GSI (Darmstadt), aims at exploring the phase diagram of nuclear matter in the region of high net baryonic densities. The study of the production of open charm particles in heavy ion collisions is one of its main physics topics. The direct measurement of these particles requires the use of a very precise vertex detector. The present thesis is a contribution to the design and development of this detector called MVD (Micro Vertex Detector). A first part of the thesis concerns the assessment, by means of realistic simulations, of the data rate requirements for the sensors which will equip the first MVD generation. The results demonstrate that the expected performance of the sensors will allow CBM carrying out its physics program. A second part deals with the expected performance for the reconstruction of open charm particles, through their hadronic decay, in Au+Au collisions. Detailed simulations allowed demonstrating that the reconstruction of the D+ meson decaying into π+ π+ K-, for instance, is feasible with a reconstruction efficiency of 2% and a signal/background ratio of 1.5. The statistics expected after two months of data taking has been evaluated to about 6.9 x 104 D-mesons. In the last part, it has been established that this statistics would enable to carry out detailed studies of the integrated elliptic flow of D-mesons. The measurement of the differential elliptic flow of these particles would require, however, higher statistics, and hence the use of more performing sensors.

Quantum spin liquids (QSLs) are strongly correlated systems displaying fascinating phenomena like long-range entanglement and fractionalized excitations. The research on these states has since its beginning followed trends generated by the synthesis of new compounds and the construction of new theoretical tools. In coherence with this history, a manifold of new results about QSLs were established during the past decade due to studies on the integrable Kitaev model on the honeycomb lattice. This j = 1/2 model displays bond-dependent and anisotropic exchanges that are essential to stabilize its QSL ground state with Majorana fermion excitations and emergent Z2 gauge field. Even more interestingly, this model is relevant to understand the magnetism of a certain class of 4/5d5 Mott insulators with specific lattice constraints, t2g orbital degeneracy and strong spin-orbit coupling (SOC). This mechanism defining these so-called Kitaev materials can be applied to similar compounds based on transition metal ions in different electronic configurations. In this thesis, I investigate minimal models for two types of 4/5d1 Mott insulators: the ones on the ordered double perovskite structure (ODP) and the ones isostructural to the Kitaev materials. Their effective models generically show bond-dependent and anisotropic interactions involving multipoles of an effective j = 3/2 angular momentum. Such degrees of freedom are conveniently written in terms of pseudospin s and pseudo-orbital &tau; operators resembling spin and orbital operators of Kugel-Khomskii models with twofold orbital degeneracy. Despite their anisotropy, the two realistic models display continuous global symmetries in the limit of vanishing Hund\'s coupling enhancing quantum fluctuations and possibly stabilizing a QSL phase. Parton mean-field theory was used to propose fermionic QSLs that will be called quantum spin-orbital liquids (QSOLs) due their dependence with s and &tau;. On ODPs, I studied a chiral QSOL with Majorana fermion excitations and a gapless spectrum characterized by nodal lines along the edges of the Brillouin zone. These nodal lines are topological defects of a non-Abelian Berry connection and the system exhibits dispersing surface states. Several experimental responses of the chiral QSOL within the mean-field approximation are compared with the experimental data available for the spin liquid candidate Ba2YMoO6. Moreover, based on a symmetry analysis, I discuss the operators involved in resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) amplitudes for 4/5d1 Mott insulators and show that the RIXS cross sections allow one to selectively probe pseudospin and pseudo-orbital degrees of freedom. For the chiral spin-orbital liquid in particular, these cross sections provide information about the spectrum for different flavors of Majorana fermions. The model for materials isostructural to the Kitaev materials has an emergent SU(4) symmetry that is made explicit by means of a Klein transformation on pseudospin degrees of freedom. The model is known to stabilize a QSOL on the honeycomb lattice and instigated the investigation of QSOLs on a generalization of this lattice to three dimensions. Parton mean-field theory was used once again to propose the liquid states, and a variational Monte Carlo (VMC) method was used to compute the energies of the projected wave functions. The numerical results show that the lowest-energy QSOL corresponds to a zero-flux state with a Fermi surface of four-color fermionic partons. Further VMC computations also revealed that this state is stable against formation of plaquette ordering (tetramerization). The energy of this QSOL is highly competitive even when Hund\'s coupling induced perturbations are included, as shown by comparison with simple ordered states. Extensions and perspectives for future work are discussed in the end of this thesis. / Líquidos de spin quânticos (QSLs) são sistemas fortemente correlacionados que apresentam fenômenos fascinantes como emaranhamento de longo alcance e excitações fracionárias. A pesquisa a respeito destes estados seguiu tendências geradas pela síntese de novos compostos e construção de novas técnicas teóricas desde seu princípio. Coerentemente com essa história, uma variedade de novos resultados a respeito de líquidos de spin foram estabelecidos na última década graças a estudos feitos sobre o modelo integrável de Kitaev na rede colmeia. Este modelo de spins j = 1/2 apresenta interações de troca anisotrópicas e direcionalmente dependentes que são essenciais para estabilizar um estado fundamental do tipo QSL com férmions de Majorana e campo de gauge Z2 emergente. Ainda mais interessante, este modelo é relevante para se entender o magnetismo de uma certa classe de isolantes de Mott baseados em metais de transição na configuração 4/5d5 em redes específicas, degenerescência orbital t2g e acoplamento spin-órbita forte (SOC). Esse mecanismo que define os chamados materiais do tipo Kitaev podem ser aplicados a compostos baseados em metais de transição em configurações eletrônicas diferentes. Nesta tese, eu investigo modelos mínimos para dois tipos de isolantes de Mott do tipo 4/5d1: os que se apresentam na estrutura perovskita dupla ordenada (ODP) e os isostruturais aos materiais do tipo Kitaev. Seus modelos efetivos genericamente apresentam interações multipolares anisotrópicas e direcionalmente dependentes de um momento angular efetivo j = 3/2. Estes graus de liberdade são convenientemente escritos em termos de operadores de pseudospin s e pseudo-orbital &tau; semelhantes a operadores de spin e orbital de modelos do tipo Kugel-Khomskii com orbitais duplamente degenerados. A despeito da anisotropia, esses dois modelos realísticos apresentam simetrias globais contínuas no limite de acoplamento de Hund nulo que incrementam flutuações quânticas e possivelmente estabilizam uma fase do tipo QSL. A teoria de campo médio com partons foi usada para propor QSLs fermiônicos que serão chamados de líquidos spin-orbitais quânticos (QSOLs) devido à dependência deles com s e &tau;. Em ODPs, eu estudei um líquido de spin quiral com excitações do tipo férmion de Majorana e um espectro sem gap caracterizado por linhas nodais ao longo das arestas da zona de Brillouin. Essas linhas nodais são defeitos topológicos de uma conexão de Berry não-abeliana e o sistema apresenta estados de superfície dispersivos. Várias respostas experimentais foram calculadas para o QSOL quiral dentro da aproximação de campo médio e comparadas com os dados experimentais disponíveis para o candidato a líquido de spin Ba2YMoO6. Além disso, baseado em uma análise de simetria, discuto os operadores envolvidos nas amplitudes de espalhamento de raios-x ressonante para isolantes de Mott na configuração 4/5d1 e mostro que seções de choque de RIXS permitem estudar seletivamente os graus de liberdade de pseudospins e pseudo-orbitais. Para o caso particular do líquido spin-orbital quiral, essas seções de choque nos fornecem informações sobre o espectro de diferentes sabores de férmions de Majorana. Esse modelo possui uma simetria SU(4) emergente que é tornada explícita através de uma transformações de Klein nos graus de liberdade de pseudospin. Sabe-se que este modelo estabiliza um QSOL na rede colmeia, o que instigou uma investigação de QSOLs na generalização desta rede em três dimensões. A teoria de campo médio com partons foi usada novamente para propor estes líquidos quânticos, e o método de Monte Carlo Variacional (VMC) foi usado para calcular as energias das funções de onda projetadas. Os resultados numéricos mostraram que o QSOL de menor energia corresponde a um estado de fluxo-zero com superfície de Fermi envolvendo partons fermiônicos de quatro cores. Cálculos adicionais com VMC também demonstraram que este estado é estável à formação de ordem de plaquetas (tetramerização). A energia deste QSOL é altamente competitiva mesmo quando perturbações induzidas pelo acoplamento de Hund são incluídas, o que é mostrado através da comparação com estados ordenados simples. Extensões e perspectivas para trabalhos futuros são discutidas no final desta tese.

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.