Dans le Modèle Standard de la physique des particules, la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD), est une théorie de jauge de groupe de symétrie SU (Nc) par rapport au nombre quantique de couleur. QCD obéit à la propriété de liberté asymptotique, permettant le calcul d’observables physiques à haute énergie en utilisant la QCD perturbative (pQCD). Cette thèse traite de la description en pQCD des taux de production de hadrons dans les collisions hadroniques à haute énergie, en vue d’applications à la phénoménologie des collisions proton-noyau et noyau-noyau dans les collisionneurs de hadrons (RHIC, LHC), où des effets nucléaires (shadowing, perte d’énergie partonique, élargissement de l’impulsion transverse) entrent en jeu. Dans une première partie, j’étudie l’élargissement de l’impulsion transverse d’un système de partons énergétiques traversant un noyau, en mettant l’accent sur la structure de couleur du processus. Un cadre théorique basé sur le formalisme des dipôles est utilisé, et une équation cinétique est dérivée pour la distribution en impulsion transverse de la paire de partons, en demandant que cette paire soit dans un état de couleur donné (représentation irréductible de SU (Nc)) à la fois dans l’état initial et dans l’état final. La structure de couleur est codée dans un opérateur d’évolution de couleur, qui est obtenu pour tout type de paire de partons. Pour une paire compacte de petite taille, la dérivation donne une interprétation physique claire du processus d’élargissement de l’impulsion transverse. Dans une deuxième partie, je discute la matrice de dimension anormale Q, qui est formellement analogue à l’opérateur d’évolution précédent, et qui apparaît lors de l’ étude du rayonnement de gluons mous associé à une diffusion partonique dure 2 −> 2. Il a été remarqué que la matrice Q associée à gg −> gg a une symétrie surprenante (reliant les degrés de liberté externe et interne). J’ai développé des outils pour dériver les matrices Q associées à des diffusions 2 −> 2 impliquant des partons généralisés, afin d’explorer si la symétrie observée pour gg −> gg est fortuite ou non. / In the Standard Model of particle physics,the theory of the strong interaction, Quantum Chromodynamics (QCD), is a gauge theory of symmetry group SU (Nc) with respect to the color quantum number. QCD obeys the property of asymptotic freedom, allowing the computation of high-energy physical observables using perturbative QCD (pQCD). This thesis deals with the pQCD description of hadron production rates in high-energy hadronic collisions, in view of applications to the phenomenology of proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions at hadron colliders (RHIC,LHC), where so-called nuclear effects (shadowing, parton energy loss, transverse momentum broadening) come into play. In a first part, I study the transverse broadening of an energetic parton system crossing a nucleus, putting emphasis on the color structure of the process. A theoretical setup based on the dipole formalism is used,and a kinetic equation is derived for the parton pair transverse momentum distribution, requiring the parton pair to be in a given color state (SU (Nc) irreducible representation) both in the initial and final state. The color structure is encoded in a color evolution operator, which is obtained for any type of parton pair. For a small-size compact pair, the derivation yields a transparent physical interpretation of the pair transverse broadening process. In a second part, I discuss the soft anomalous dimension matrix Q, which is formally analogous to the previous evolution operator, and which appears when studying soft gluon radiation associated to 2 −> 2 hard parton scattering. It has been noticed that the Q-matrix associated to gg −> gg has a surprising symmetry (relating external and internal degrees of freedom). I developed tools to derive the Q-matrices associated to2 −> 2 scatterings involving generalized partons, in order to explore if the symmetry observed for gg −> gg is fortuitous or not.

Hadronic collisions at the LHC at CERN probe particle interactions at the highest energy scale of any experiment to date. We present a research program measuring Rjet = &sigmaWBR(W&rarr&mu&nu) / (&sigmaZBR(Z&rarr&mu&mu)) as a function of a number of hadronic variables. The measurements are performed with the ATLAS detector at the LHC, using the 2011 data set, consisting of 4.64 fb-1 of pp collisions at a center of mass energy of 7 TeV. This measurement is a robust way to test the Standard Model and the modeling of perturbative QCD, and is sensitive to a wide variety of possible new physics in events with high jet ET, including some variations of Supersymmetry. By taking the ratio of W/Z production, a large number of systematic uncertainties cancel, including those associated with luminosity, jet energy scale and resolution, and many theoretical uncertainties. The measurement of Rjet is performed as a function of the pT and rapidity of the 1st-4th leading jet, ST, HT, and a number of dijet variables, including invariant mass and angular separations. The measurements are compared with NLO theoretical predictions from Blackhat+Sherpa, as well as using leading order simulations from Alpgen and Sherpa. Over most of the kinematic phase-space, there is good agreement between the data and theoretical predictions. There is a significant deviation for exactly one selected jet above 30 GeV, where Blackhat+Sherpa over-estimates the ratio Rjet by 12%.

Dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules, les constituants élémentaires de la matière identifiés à ce jour sont les quarks et les gluons, génériquement appelés partons et soumis à l'interaction forte, décrite par la chromodynamique quantique (QCD). Si les partons sont confinés dans les hadrons sous des conditions normales de température et de densité, l'existence d'un état déconfiné, le plasma de quarks et de gluons (QGP), a été prédite par la QCD pour des conditions thermodynamiques extrêmes. Cet état de la matière peut être atteint dans le cadre de collisions d'ions lourds ultrarelativistes telles qu'en produit le grand collisionneur de hadrons du CERN (LHC), et sondé à l'aide de multiples observables auxquelles peut accéder l'expérience ALICE en particulier. Les photons prompts, issus de processus partoniques de haute énergie, constituent à ce titre une sonde privilégiée de la matière hadronique. Insensibles à l'interaction forte, ils peuvent traverser le milieu déconfiné en conservant les informations primaires d'une collision et représentent ainsi une référence précieuse a priori non affectée par le QGP. Ces photons peuvent être identifiés à l'aide de techniques de calorimétrie électromagnétique et d'isolement. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, la production de photons isolés a été mesurée dans des collisions proton-proton et proton-plomb avec l'expérience ALICE. Les résultats obtenus sont compatibles avec des prédictions de QCD, y compris dans un régime cinématique inexploré jusqu'alors par cette observable. / In the Standard Model of particle physics, elementary constituents of matter identified to date are quarks and gluons, generically called partons and obeying the strong interaction described by quantum chromodynamics (QCD). While partons are confined in hadrons under standard temperature and density conditions, the existence of a deconfined state, quark-gluon plasma (QGP), has been predicted by QCD for extreme thermodynamic conditions. This state of matter can be reached in ultrarelativistic heavy-ion collisions such as produced at the CERN Large Hadron Collider (LHC) and can be probed with many observables accessible to the ALICE experiment in particular. Prompt photons, emitted by high-energy partonic processes, constitute a key probe of hadronic matter. Insensitive to the strong interaction they can traverse the deconfined medium preserving primary information about a collision, and thus represent a valuable reference not affected by QGP a priori. These photons can be identified with electromagnetic calorimetry and isolation techniques. Within this doctoral thesis, the isolated photon production has been measured in proton-proton and proton-lead collisions with the ALICE experiment. The results are in agreement with QCD predictions, including in a kinematic range unexplored by this observable thus far.

Les collisions d’ions lourds au LHC permettent l’étude des propriétés de la matière nucléaire soumise à des conditions extrêmes de température et densité d’énergie où on assisterait à la formation du Plasma de Quarks et Gluons (QGP). La mesure des saveurs lourdes ouvertes (charme et beauté) est particulièrement intéressante pour l’étude des propriétés du QGP. L’étude des collisions d’ions lourds au LHC nécessite aussi la mesure des collisions pp et p–Pb. Les collisions p-Pb permettent en particulier d’étudier les effets nucléaire froids et d’interpréter les effets nucléaires chauds observés dans les collisions Pb–Pb. Cette thèse est dédiée à l’étude de la production des saveurs lourdes ouvertes via les muons simples dans les collisions p–Pb à √8NN = 5.02 TeV aux rapidités avant et arrière avec le détecteur ALICE au LHC. La référence pp est estimée à partir des mesures pp à √8 = 2.76 TeV et 7 TeV et utilisant des calculs pQCD pour l’extrapolation à √8 = 5.02 TeV. Les mesures du facteur de modification nucléaire (RpPb) et du rapport des sections efficaces aux rapidités avant et arrière indiquent que les effets nucléaires froids sont faibles sur tout le domaine en impulsion transverse (pT) aux rapidités avant (RpPb ≈ 1). Aux rapidités arrière, le facteur de modification nucléaire est sensiblement plus grand que un dans la région 2 < pT < 4 GeV/c. Les résultats confirment que la forte suppression des taux de production des muons issus du charme et de la beauté mesurée dans les collisions centrales Pb–Pb est due au milieu dense et chaud. Le facteur de modification nucléaire et le rapport des sections efficaces aux rapidités avant et arrière sont aussi mesurés en fonction de la centralité dans les collisions p-Pb. Le facteur de modification nucléaire reste compatible avec l’unité à grand pT dans les collisions centrales. / The LHC heavy-ion physics program aims at investigating the properties of strongly-interacting matter in extreme conditions of temperature and energy density where the Quark-Gluon Plasma (QGP) is formed. In high-energy heavy-ion collisions, heavy quarks (charm and beauty) are regarded as efficient probes of the properties of the QGP. The heavy-ion physics program requires also the study of proton-proton (pp) and proton-nucleus (p–Pb) collisions. The study of p–Pb collisions is used to investigate cold nuclear matter effects and to validate and quantify hot nuclear matter effects which are observed in nucleus-nucleus (Pb–Pb) collisions. This thesis work is devoted to the study of open heavy-flavour production at forward and backward rapidity via single muons in p–Pb collisions at √8NN = 5.02 TeV with the ALICE experiment at the LHC. The pp reference using available measurements at 2.76 and 7 TeV and a pQCD-driven method for the scaling to 5.02 TeV is estimated. The measurements of the nuclear modification factor (RpPb) at forward and backward rapidity and forward-to-backward ratio in p–Pb collisions, indicate that cold nuclear matter effects are small over the whole transverse momentum (pT) region at forward rapidity (RpPb compatible with unity within uncertainties). In the backward rapidity, the nuclear modification factor deviates from unity in the intermediate pT region (2 < pT < 4 GeV/c). These results confirm that the strong suppression measured at high pT in central Pb–Pb collisions is due to final-state effects induced by the hot and dense nuclear medium. The results of the nuclear modification factor and forward-to-backward ratio as a function of centrality in p–Pb collisions are discussed. Even in central collisions, the nuclear modification factor is compatible with unity at high pT.

The environment inside the atomic nucleus is one of the most fascinating arenas for the study of quantum chromodynamics (QCD). The strongly-interacting nature of the nuclear medium affects the nature of both QCD processes and the quark-gluon structure of hadrons, allowing several unique aspects of the strong nuclear force to be investigated in reactions involving nuclear targets. The research presented in this dissertation explores two aspects of nuclear QCD: firstly, the partonic structure of the nucleus itself; and secondly, the use of the nucleus as a micro-laboratory in which QCD processes can be studied. The partonic structure of the nucleus is calculated in this work by deriving and utilizing a convolution formula. The hadronic structure of the nucleus and the quark-gluon structure of its constituent nucleons are taken together to determine the nuclear partonic structure. Light cone descriptions of short range correlations, in terms of both hadronic and partonic structure, are derived and taken into account. Medium modifications of the bound nucleons are accounted for using the color screening model, and QCD evolution is used to connect nuclear partonic structure at vastly different energy scales. The formalism developed for calculating nuclear partonic structure is applied to inclusive dijet production from proton-nucleus collisions at LHC kinematics, and novel predictions are calculated and presented for the dijet cross section. The nucleus is investigated as a micro-laboratory in vector meson photoproduction reactions. In particular, the deuteron is studied in the break-up reaction γd → Vpn, for both the ϕ(1020) and J/ψ vector mesons. The generalized eikonal approximation is utilized, allowing unambiguous separation of the impulse approximation and final state interactions (FSIs). Two peaks or valleys are seen in the angular distribution of the reaction cross section, each of which is due to an FSI between either the proton and neutron, or the produced vector meson and the spectator nucleon. The presence and size of the latter FSI valley/peak contains information about the meson-nucleon interaction, and it is shown that several models of this interaction can be distinguished by measuring the angular distribution for the deuteron breakup reaction.

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. Le sixième chapitre décrit l'analyse des premières collisions pp à √s = 0.9 TeV collectées avec ALICE. L'objectif principal était la compréhension de la réponse du détecteur. Ces données ont permis aussi fixer la stratégie d'analyse des saveurs lourdes ouvertes : sélection des événements, optimisation des coupures, différentes sources de bruit de fond à soustraire. Le septième chapitre présente la mesure de la section de production des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions pp à √s = 7 TeV. La méthode d'analyse est décrite. Cela concerne la sélection des collisions et traces reconstruites dans le spectromètre à muons, la soustraction du bruit de fond (composé principalement de muons issus de la désintégration de pions et kaons primaires), les corrections, la normalisation et la détermination des incertitudes systématiques. Les résultats expérimentaux sont discutés et comparés aux calculs perturbatifs QCD (calculs "Fixed Order Next-to-Leading Log"). Cela concerne les sections efficaces de production des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes aux rapidités avant (2.5 < y < 4) en fonction de la rapidité et de l'impulsion transverse (pt). Le huitième chapitre aborde la mesure des muons issus de la désintégration des saveurs lourdes ouvertes dans les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV collectées en 2010. Les effets de milieu nucléaire sont étudiés à partir du facteur de modification nucléaire RAA. La référence pp est déterminée à partir de l'analyse des collisions pp à √s = 2.76 TeV. Le facteur de facteur modification nucléaire est étudié en fonction de pt et de la centralité de la collision. Pour comparaison, les résultats obtenus à partir de la mesure du facteur de modification nucléaire central sur périphérique (RCP) sont aussi présentés. Le neuvième chapitre commence par une revue des différentes méthodes utilisées pour la mesure de la composante de flot elliptique. Les méthodes telles que les cumulants et Lee-Yang Zeroes, permettant de supprimer les effets non-flot, sont détaillées. Des premiers résultats prometteurs concernant la mesure de la composante de flot elliptique des muons sont discutés. Ils sont obtenus avec différentes méthodes et présentés en fonction de pt et de la centralité de la collision. Le manuscrit se termine par une conclusion et des perspectives.

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