ALICE est le détecteur du LHC dédié à l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Le principal objectif de cette expérience est la mise en évidence et l'étude d'une nouvelle phase de la matière nucléaire prédite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) : le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Une des signatures possibles est la suppression des taux de production des quarkonia par écrantage de couleur dans les collisions d'ions lourds, dans lesquelles la formation d'un plasma est attendue. Le spectromètre à muons permettra de mesurer les taux de production des quarkonia (J/Psi, Upsilon) dans les collisions d'ions lourds via leur canal de désintégration dimuonique. Un système de déclenchement rapide, associé au spectromètre à muons, est chargé de sélectionner les événements contenant au minimum un muon ou un dimuon à l'aide d'un algorithme de recherche de traces. L'étude des performances du système de déclenchement du spectromètre à muons, réalisée à l'aide de simulations Monte-Carlo, sera présentée dans ce mémoire en mettant l'accent sur l'efficacité et la fréquence de déclenchement du système dans le cas des collisions Pb-Pb et Ar-Ar. Nous présenterons également la reconstruction du spectre en masse des dimuons de signes opposé avec le spectromètre à muons d'ALICE. A partir de ce spectre, les taux de production des états Upsilon seront extraits pour un mois de collisions Pb-Pb au LHC et pour diverses tranches en centralité.

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière observe lors de la collision d'ions lourds dans les accélérateurs tels que le LHC. Il est présent à haute température et/ou à haute densité, les quarks sont alors déconfinés : libres de se mouvoir et interagissant très peu entre eux. A basse température et basse densité, les quarks sont, au contraire, confines dans les hadrons formant la matière hadronique ordinaire. La présence d'une transition entre cette phase hadronique et le QGP a des conséquences importantes que ce soit 'a haute température (expériences RHIC et LHC) ou a haute densité (expérience CBM à FAIR, étude des étoiles compactes). Une première transition de phase est liée à la brisure de la symétrie chirale. Dans la matière hadronique, cette symétrie est brisée spontanément. Elle est restaurée en augmentant la température ou la densité. Au delà de la discussion habituelle sur la transition chirale, nous utiliserons un modèle, le modèle Polyakov Nambu Jona-Lasinio permettant de décrire une deuxième transition : la transition de deconfinement. Ceci permettra de séparer le diagramme Temperature-Densité en trois phases distinctes : la phase hadronique ou les quarks sont confines et o'u la symétrie chirale est brisée, la phase du QGP ou les quarks sont d'confines et o'u la symétrie chirale est restaurée et une phase hypothétique dite quarkyonique à basse température et haute densité ou les quarks sont encore confines mais ou la symétrie chirale est restaurée. On décrira, dans un premier temps les différentes transitions à l'aide des paramètres d'ordre suivant : le condensat de quark pour la transition chirale et la boucle de Polyakov pour le déconfinement. On verra ensuite comment l'évolution des fonctions spectrales des mésons sigma et pi peut nous renseigner sur le diagramme de phase. Le critère de transition chirale sera alors la différence entre les masses de ces mésons, la masse étant prise comme étant le maximum de la fonction spectrale. Le critère de transition de deconfinement sera, quant à lui, l'écart-type de la fonction spectrale. Enfin, nous verrons comment intégrer les mésons vecteurs au modèle, en particulier le méson rho, qui pourra jouer le rôle de sonde du plasma, ses propriétés étant modifiées suivant le milieu dans lequel il est émis.

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.

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.

Les conditions extrêmes de température et de densité d'énergie créées lors des collisions d'ions lourds ultra-relativistes au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC) fournissent une occasion unique d'étudier les propriétés de la matière. Une transition de phase de la matière hadronique vers un milieu déconfiné de quarks et de gluons (PQG) est prédite par la chromodynamique quantique et des efforts théoriques et expérimentaux considérables ont été investis pour étudier ses propriétés. Parmi les sondes éminentes du PQG, les quarks lourds jouent un rôle prépondérant car ils sont créés lors des processus durs initiaux, avant la formation du PQG, et leur nombre est conservé durant les phases partoniques et hadroniques de la collision. Les états liés de quarks lourds– quarkonium (charmonium pour cc et bottomonium pour bb), constituent des sondes remarquables du milieu. Les observations expérimentales de quarkonia aux énergies du LHC dans les collisions A-A sont reproduites au travers de deux mécanismes antagonistes : la suppression séquentielle, proposée très tôt comme signature du PQG, et la (re)génération de quarkonia par (re)combinaison de quarks déconfinés. Cependant des incertitudes importantes sont associées aux prédictions théoriques et de nombreuses inconnues demeurent. L'anisotropie azimuthale de l'espace des moments (désignée sous le terme de flot elliptique, v2) de la production de charmonium devrait permettre d'avoir une meilleure vue d'ensemble et de contraindre davantage les paramètres des modèles théoriques. Si les quarks charmés se (re)combinent en paires cc, les J/ψ produits devraient hériter de leur flot. Les études précédentes ont montré des premiers signes d'un v2positif du J/ψ dans les collisions Pb-Pb à √sNN=2.76TeV. Cette thèse porte sur la mesure de l'anisotropie azimuthale du J/ψ dans les collisions Pb-Pb à√sNN=5.02TeV où une (re)combinaison légèrement plus importante est prédite par rapport aux énergies inférieures et une augmentation statistique d'un facteur 3 a été enregistrée. L'étude du flot elliptique du J/ψ fournit des informations clés sur la magnitude et la dynamique des mécanismes de suppression et de (re)génération de charmonia. Par ailleurs elle offre un regard unique sur l'évolution et les interactions des quarks charmés au sein du milieu en expansion. / Extreme temperatures and energy densities produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider provide a unique opportunity to study the properties of matter. A phase transition of the hadronic matter to a deconfined medium of quarks and gluons, the Quark-Gluon Plasma (QGP), is predicted by Quantum Chromodynamics and considerable theoretical and experimental efforts have been invested to study its properties. Among the prominent probes of the QGP, heavy quarks play a crucial role since they are created in primary hard-scattering processes, before the QGP formation, and their number is conserved throughout the partonic and hadronic phases of the collision. Bound states of heavyquarks – quarkonium (charmonium for cc and bottomoniumbb) provide remarkable probes of the medium. At LHC energies, experimental observations of quarkonium in A-Acollisions are reproduced through two antagonist mechanisms: a sequential suppression of the quarkonium states, early suggested as a signature of the QGP, and quarkonium (re)generation by (re)combination of deconfined quarks. However, theoretical predictions carry large uncertainties and many unknows remain. The momentum space azimuthal anisotropy of charmonium production (referred as elliptic flow v2) should help to clarify the picture and to constrain the model parameters. If charm quarks (re)combine in the medium into cc pairs, the J/ψ originating from (re)combination should inherit their flow. Previous studies have shown first hints of a positive J/ψ v2 in Pb-Pb collisions at √sNN=2.76TeV. This thesis focuses on the measurement of J/ψ azimuthal anisotropy in Pb-Pb collisions at √sNN=5.02TeV where a slightly stronger (re)generation component is predicted with respect to lower collision energies, and a factor of 3more data were collected. The study of J/ψ v2 provides important information on the magnitude and dynamics of charmonium suppression and (re)generation mechanisms. In addition, it offers a unique insight on charm quark evolution and interactions in the expanding medium.

Cette étude s'inscrit dans le cadre de la recherche de la formation d'un plasma de quarks et de gluons dans l'expérience STAR au RHIC. Elle concerne l'ajout d'un ensemble cylindrique de détecteurs en silicium, à micropistes, double face (SSD) au trajectographe interne du détecteur STAR. Cet ajout permet une amélioration globale de la trajectographie du détecteur STAR. Le SSD forme un cylindre de 1 m de long pour 23 cm de rayon et est composé de 320 modules compacts identiques. Les modules sont formés d'un détecteur, de 12 circuits de lecture ALICE 128C, de 12 rubans TAB, d'un circuit de contrôle COSTAR et de 2 circuits hybrides qui supportent l'ensemble des composants. La thèse montre le gain en performances physiques apportées par le SSD, ainsi que les différents choix technologiques, en particulier celui des détecteurs en silicium à micropistes, ainsi qu'une caractérisation des performances sous faisceau. Tous les composants sont décrits ainsi que leurs caractéristiques et l'ensemble des procédures de test qui ont été définie pour chacun des composants afin d'en établir la fonctionnalité et les propriétés. L'ensemble des données des composants et des tests est stocké dans une base de données. Les résultats obtenus pour la production des modules et de leurs composants sont présentés. Deux études parallèles ont été menées : l'une sur l'influence de la température environnementale, l'autre sur le réglage optimal des blocs analogiques du circuit ALICE 128C. L'installation du SSD sur le site de RHIC, sa mise en opération et les premières prises de données physiques sont présentées.

La physique des collisions d'ions lourds (ultra-)relativistes a pour objectif principal l'élaboration de l'équation d'état de la matière nucléaire par l'examen de ses propriétés dans des conditions extrêmes de température et de pression.<br />A basse énergie, les collisions d'ions lourds permettent de sonder la matière nucléaire modérément chaude à grande densité baryonique.<br />A haute énergie, la chromodynamique quantique prédit le déconfinement des constituants des hadrons en un plasma de quarks et de gluons.<br />La première partie de ce document est consacrée à l'étude de la production d'étrangeté dans les collisions d'ions lourds aux énergies du SIS avec le détecteur FOPI installé au GSI.<br />La deuxième partie de ce document est consacrée à l'étude de la production des saveurs lourdes dans les collisions d'ions lourds aux énergies du LHC avec le détecteur ALICE installé au CERN.

La QCD sur réseau prévoit, à potentiel chimique baryonique mu_B nul ou proche de zéro, une transition de la matière de type "crossover" d'un gaz de hadrons vers le Plasma de Quarks et Gluons. Les collisions d'ions lourds ont été proposées pour le recréer et l'étudier en laboratoire. Aussi, les collisions Au+Au, d+Au à sqrt(s_(NN))= 200 GeV et Au+Au à 62.4GeV délivrées au RHIC ont été sondées par la mesure des Xi- et Xi+ dans l'expérience STAR. L'évolution des taux de production avec la taille et l'énergie du système renseigne sur les propriétés chimiques de la collision et est interprétée dans le cadre de modèles hadroniques et statistiques. Le facteur de modification nucléaire R_(CP) des Xi révèle : (1) une dépendance mésons/baryons pour 2 < p_T < 5GeV/c bien reproduite par des modèles de coalescence/recombinaison de quarks, (2) la formation d'une matière dense signée par la suppression de R_(CP) à p_T > 3GeV/c, (3) une forte interaction entre constituants suggérant l'existence de phénomènes collectifs. Le flot des $\Xi$ et plus généralement des particules multiétranges est intéressant pour sonder les premiers instants de la collision aux possibles degrés de liberté partoniques. Il est étudié et commenté dans ce mémoire de thèse.

Contexte : La chromodynamique quantique (CDQ), théorie de l’interaction forte, prédit un nouvel état de la matière, le plasma de quarks et de gluons (PQG) dont les degrés de liberté fondamentale, les quarks et les gluons, peuvent bouger quasi-librement. Les hautes températures et densités de particules, qui sont nécessaires, sont supposées être les conditions de l’univers dans ses premiers moments ou dans les étoiles à neutrons. Récemment elles ont été recrées par des collisions de noyaux d’ions lourdes à hautes énergies. Ces expériences étudient le PQG par la détection des particules de hautes énergies qui traversent le milieu, notamment, les quarks lourds. Les mécanismes de leur perte d’énergie dans le PQG ne sont pas compris complètement. Particulièrement, ils sont attribués aux processus soit de radiation induite par le milieu, soit de collisions de particules de type 2 vers 2, ou des combinaisons.Méthodes : Afin de trouver de nouvelles observables pour pouvoir distinguer les mécanismes de la perte d’énergie, on a implémenté un algorithme Monte-Carlo, qui simule la formation des cascades des particules à partir d’une particule initiale. Pour traiter le milieu, on a introduit des interactions PQG-jets, qui correspondent aux processus collisionnels et radiatifs. Les corrélations entre deux particules finales des cascades, dont une représente un quark trigger, ont été examinées comme moyen pour distinguer les modèles.Résultats : La dépendance de l’ouverture angulaire pour des corrélations entre deux particules en fonction des énergies des particules peut servir comme moyen pour séparer les mécanismes collisionnels et radiatifs de la perte d’énergie dans le milieu. / Context: Quantum chromodynamics (QCD), the theory of the strong interactions, predicts a new state of matter, the quark-gluon plasma (QGP), where its fundamental degrees of freedom, the quarks and gluons, behave quasi-freely. The required high temperatures and/orparticle densities can be expected for the early stages of the universe and in neutron stars, but have lately become accessible by highly energetic collisions of heavy ion cores. Commonly, these experiments study the QGP by the detection of hard probes, i.e. highly energetic particles, most notably heavy quarks, that pass the medium. The mechanisms of their energy-loss in the QGP are not yet completely understood. In particular, they are attributed to processes of either additional, medium induced radiation or 2 to 2 particle scattering, or combinations thereof.Methods: In a theoretical, phenomenological approach to search for new observables that allow discriminating between these collisional and radiative energy-loss mechanisms a Monte-Carlo algorithm that simulates the formation of particle cascades from an initial particle was implemented. For the medium, different types of QGP-jet interactions, corresponding to collisional and/orradiative energy loss, were introduced. Correlations between pairs of final cascade particles, where one represents a heavy trigger quark, were investigated as a means to differentiate between these models.Findings: The dependence of angular opening for two particle correlations as a function of particle energy may provide a means to disentangle collisional and radiative mechanisms of in-medium energy loss.

Dans les collisions d'ions lourds ultra-relativistes (A-A), la matière se trouve dans des conditions extrêmes de densité d'énergie; elle forme un plasma de quarks et de gluons déconfinés. Aux énergies du RHIC et du LHC, le rapport baryon sur méson, tel Λ/K0S, prend des valeurs élevées sur une plage d'impulsions transverses intermédiaires pour les collisions centrales A-A. L'objectif de ce travail est de vérifier si la production accrue de baryons est seulement due à des effets collectifs au cœur du système formé ou s'il existe aussi un impact lié à une fragmentation des partons modifiée par le milieu. À l'aide de corrélations angulaires à deux hadrons, les K0S et Λ produits en association avec un hadron de haut pT (processus durs) sont séparés de ceux issus du milieu thermalisé (processus softs). Les rapports Λ/K0S à relier aux mécanismes durs et softs sont établis; les résultats sont obtenus pour les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV enregistrées en 2011 avec l'expérience ALICE. / In ultrarelativistic heavy-ion collisions, the QCD matter is under extreme conditions of energy density, forming a quark-gluon plasma (QGP), in which quarks and gluons are deconfined. At RHIC and LHC energies, a large baryon-to-meson ratio, like Λ/K0S, was observed within the transverse momentum range 2 < pT < 6 GeV/c for central heavy-ion collisions. The goal of this dissertation is to verify if the baryon-to-meson enhancement is only due to collective effects of the bulk of matter, and if there is also a contribution related to in-medium modifications of parton fragmentation.With two-hadron angular correlations, the K0S and Λ produced in association to an energetic hadron (hard processes) are separated from those originated from the thermalised medium (soft processes). The differential Λ/K0S ratios related to the soft or hard production processes are extracted. The results are obtained for the Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV recorded in 2011 with the ALICE experiment.