Using an approach based on Soft Collinear Effective Theory (SCET) and Heavy Quark Effective Theory (HQET) we determine the b-quark fragmentation function from electron-positron annihilation data at the Z-boson peak at next-to-next-to leading order with next-to-next-to leading log resummation of DGLAP logarithms, and next-to-next-to next -to leading log resummation of endpoint logarithms. This analysis improves, by one order, the previous extraction of the b-quark fragmentation function. We find that while the addition of the next order in the calculation does not much shift the extracted form of the fragmentation function, it does reduce theoretical errors indicating that the expansion is converging. Using an approach based on effective field theory allows us to systematically control theoretical errors. While the fits of theory to data are generally good, the fits seem to be hinting that higher order correction from HQET may be needed to explain the b-quark fragmentation function at smaller values of momentum fraction.

For a full understanding of QCD and a precise comparison of the theory with experiment, QCD observables must be calculated to next-to-leading order in the strong coupling constant. This thesis will discuss some of the techniques used for calculating the one-loop Feynman diagrams which are required for such calculations, and their associated tensor integrals. In particular, conventional methods introduce Gram determinants. This can lead to unnecessarily complicated expressions and numerical instabilities in the limit of vanishing Gram determinant. An alternative method is presented which removes these problems by gathering together scalar integrals in combinations which are finite as the Gram determinant vanishes. These combinations are related to the corresponding scalar integrals in higher dimensions. This method is applied to the evaluation of the one-loop QcD corrections for the decay of an off-shell vector boson with vector couplings into two pairs of quarks of equal or unequal flavours. These matrix elements are required for the next-to-leading order corrections to four jet production in electron-positron annihilation, the production of a gauge boson and two jets in hadron-hadron collisions, and three jet production in lepton- nucleon scattering.

Cette thèse répond une étude de la η c (1S) d'état de charmonium utilisant désintégrations à l'état final proton-antiproton à l'expérience LHCb. La section efficace de production du méson η c dans les interactions parton et dans les désintégrations b-hadrons sont signalés. La production de l'état η c (1S) est mesurée par la désintégration de ppbar avec le détecteur LHCb, en utilisant une luminosité intégrée de 0,7 fb⁻¹ accumulé à 7 TeV l'énergie de centre de masse en 2011, et une luminosité intégrée de 2 fb⁻¹ accumulé à 8 TeV l'énergie de centre de masse en 2012 les mesures sont effectuées en utilisant le J / ψ → ppbar décroissance comme un canal de référence. Haut de centre de masse des énergies disponibles dans les collisions proton-proton au LHC permet modèles décrivant la production de charmonium à tester. Nous distinguons rapidement présenté charmonia de ceux provenant de b-hadron se désintègre. Rapidement produites charmonia comprennent charmonia produit directement dans les interactions parton et ceux provenant de la désintégration de lourdes Etats quarkonium, qui sont à leur tour produit dans les interactions de partons. Production de charmonium invite comprend la production directe de l'interaction de parton et charmonium provenant de désintégrations des etats les plus lourds. Le taux relatif de la production rapide de l'etats η c et J / ψ dans l'acceptation LHCb (gamme de rapidité 2,0 <y <4,5) et pour pT (J/ψ, η c)> 6,5 GeV/c est mesurée pour la première le temps d'être σ (η c) / σ (J / ψ) = 1,74 ± 0,29 ± 0,28 stat syst ± 0,18 B l'énergie de centre de masse 7 TeV, et σ (η c) / σ (J / ψ) = 1,60 ± 0,29 stat ± 0,25 ± 0,17 syst B l'énergie de centre de masse 8 TeV. Utilisation du J / ψ section efficace de production mesurée par LHCb et en supposant qu'aucun J / ψ polarisation, l'absolu η c section efficace de production dans le même régime cinématique est σ η c = 0,52 ± 0,09 ± 0,08 stat syst ± 0,06 σ J / ψ, B l'énergie de centre de masse 7 TeV, et σ η c = 0,59 ± 0,11 stat ± 0,09 ± 0,08 syst σ J / ψ, B l'énergie de centre de masse 8 TeV. La troisième composante d'erreur correspond à l'incertitude de la J / ψ → p et η c → p ramification fractions et la mesure de section eficase J/ψ. Le rapport η c à J/ψ compris fraction de branchement de b-hadron désintégrations est mesuré pour être B (b → η c X) / B (b → J / ψ X) = 0,42 ± 0,06 ± 0,02 stat syst ± 0,05 B. Utilisation de l'J/ψ compris fraction ramification de b-hadron désintégrations mesuré avec le J/ψ →μμ canal de désintégration, l'inclusion η c ramification fraction de b-hadron désintégrations se trouve être B (b → η c X) = (4,9 ± 0,6 ± 0,3 stat syst ± 0,7 B) × 10 ⁻³, où la troisième composante d'erreur correspond à l'incertitude dans les J/ψ → pp et η c → pp ramification fractions (et le J/ψ compris fraction J ramification de b-hadron décroît). La mesure de la fraction η c de branchement inclus rapport de b-hadron se désintègre est la plus précise à ce jour. Utilisation de l'échantillon à faible fond de η c de b-hadron se désintègre, la différence de masse J / ψ et η c, ΔMJ / ψ, η c = 114,7 ± 1,5 ± 0,1 MeV / c², est mesurée. La valeur de la production par rapport compris η c J/ψ est important de faire la distinction entre une grande variété de modèles théoriques. Le η c section est mesurée dans des bacs de dynamique transversale. Il présente un comportement similaire à ceux obtenus dans l'analyse de la production J/ψ, mais avec beaucoup plus importantes incertitudes. Les limites supérieures sur la production de certains autres états charmonium sont adressées. / This thesis addresses a study of the η c (1S) charmonium state using decays to proton-antiproton final state at the LHCb experiment. The production cross-section of the η c meson in parton interactions and in b-hadron decays are reported. Production of the η c (1S) state is measured via the decay to ppbar with the LHCb detector, using an integrated luminosity of 0.7 fb⁻¹ accumulated at 7 TeV centre-of-mass energy in 2011, and an integrated luminosity of 2 fb⁻¹ accumulated at 8 TeV centre-of-mass energy in 2012. The measurements are performed using the J/ψ → ppbar decay as a reference channel. High centre-of-mass energies available in proton-proton collisions at the LHC allow models describing charmonium production to be tested. We distinguish promptly produced charmonia from those originating from b-hadron decays. Promptly produced charmonia include charmonia directly produced in parton interactions and those originating from the decays of heavier quarkonium states, which are in turn produced in parton interactions. Prompt charmonium production comprises direct production in the parton interaction and charmonium originating from decays of heavier states. The relative rate of prompt production of the η c and J/ψ states in the LHCb acceptance (rapidity range 2.0 < y < 4.5) and for p T (J/ψ , η c ) > 6.5 GeV/c is measured for the first time to be σ (η c) /σ (J/ψ) = 1.74 ± 0.29 stat ± 0.28 syst ± 0.18 B at a centre-of-mass energy 7 TeV, and σ (η c) /σ (J/ψ) = 1.60 ± 0.29 stat ± 0.25 syst ± 0.17 B at a centre-of-mass energy s = 8 TeV. Using the J/ψ production cross-section measured by LHCb and assuming no J/ψ polarization, the absolute η c prompt production cross-section in the same kinematic regime is found to be σ η c = 0.52 ± 0.09 stat ± 0.08 syst ± 0.06 σ J/ψ , B at a centre-of-mass energy 7 TeV, and σ η c = 0.59 ± 0.11 stat ± 0.09 syst ± 0.08 σ J/ψ , B at a centre-of-mass energy s = 8 TeV. The third error component corresponds to the uncertainty in the J/ψ → pp and η c → pp branching fractions and the J/ψ cross-section measurement. The relative η c to J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays is measured to be B(b→η c X) /B(b→J/ψ X) = 0.42 ± 0.06 stat ± 0.02 syst ± 0.05 B. Using the J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays measured with the J/ψ → μμ decay channel, the inclusive η c branching fraction from b-hadron decays is found to be B(b→η c X) = (4.9 ± 0.6 stat ± 0.3 syst ± 0.7 B) × 10 ⁻³ ,where the third error component corresponds to the uncertainty in the J/ψ → pp and η c → pp branching fractions (and the J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays). The measurement of the relative η c inclusive branching fraction from b-hadron decays is the most precise to date. Using low-background sample of η c from b-hadron decays, the J/ψ and η c mass difference, ∆M J/ψ , η c = 114.7 ± 1.5 ± 0.1 MeV/c² , is measured. The value of the relative inclusive η c production to J/ψ is important for distinguishing between a variety of theoretical models. The η c cross-section is measured in bins of transverse momentum. It exhibits a similar behaviour to those obtained in the J/ψ production analysis, though with significantly larger uncertainties. The upper limits on the production of some other charmonium states are addressed.

In 2003 the Belle collaboration announced the discovery of the X(3872) particle. This was confirmed shortly thereafter by the CDF, D0 and BaBar collaborations, and later by the LHCb collaboration. Based on the decay modes that have been observed to date, it is clear that this particle is a hadron, that is, a composite particle that experiences the strong nuclear force. The X(3872) was found within a family of well understood hadrons called charmonia. Interestingly, it is quite difficult to interpret the X(3872) as a charmonium state. For this reason it has been widely speculated that the X(3872) cannot be understood in terms of the quark model, unlike the vast majority of hadrons observed to date. Such hitherto unobserved particles are called exotic hadrons. Since the discovery of the X(3872), many similarly anomalous charmonium-like particles have been discovered. As would be expected, some unanticipated hadrons have also been found in the closely related bottomonium spectrum. These particles are collectively referred to as heavy quarkonium-like. Evidence is growing that at least some of these particles are exotic hadrons. If confirmed, this would have dramatic implications for our understanding of the strong nuclear force. A major experimental and theoretical effort is now underway in the field of hadron spectroscopy to determine the identities of the heavy quarkonium-like states. In order to investigate the possibility that some of these states could be exotic hadrons, theoretical calculations are needed to firmly establish their properties. One of the main arguments for the existence of exotic hadrons is that they are predicted by the fundamental theory of the strong interaction, Quantum Chromodynamics (QCD). Therefore it is desirable to predict the properties of exotic hadrons using a theoretical approach that is firmly based in QCD. One such method is QCD sum rules (QSR). The research presented here uses the QSR technique to study exotic hadrons. There are several themes in this work. First is the use of QSR to predict the masses of exotic hadrons that may exist among the heavy quarkonium-like states. The second theme is the application of sophisticated loop integration methods in order to obtain more complete theoretical results. These in turn can be extended to higher orders in the perturbative expansion in order to predict the properties of exotic hadrons more accurately. The third theme involves developing a renormalization methodology for these higher order calculations. This research has implications for the Y(3940), X(3872), Zc(3895), Yb(10890), Zb(10610) and Zb(10650) particles, thereby contributing to the ongoing effort to understand these and other heavy quarkonium-like states.

Le LHC au CERN, qui est le collisionneur le plus puissant au monde, a été construit pour découvrir le boson de Higgs ainsi que des signaux de nouvelle physique. Mais au-delà de ces découvertes, les expériences auprès du LHC ont accumulé (et vont continuer à accumuler) une grande quantité de données qui pourront être utilisées pour accroître notre connaissance de la ChromoDynamique Quantique (QCD). Cette thèse est dans cette dernière ligne, elle contient deux parties qui utilisent des variables de corrélations pour contraindre les différentes entrées non perturbatives. La première partie concerne les contraintes pouvant être mises sur les fonctions de fragmentation (FF) en utilisant des variables de corrélation dans la production de hadron + jet. Les entrées non perturbatives pour les récentes FF ont été extraites des donnée e^+ e^- de LEP. Ces données mettent des contraintes sur les FF à petites valeurs de la variable de fragmentation x (x < 0.7), mais n'en donnent pas pour des grandes valeurs de x. Pour cette raison, les comportements des jeux de FF diffèrent de façon importante pour des grandes valeurs de x. Une analyse à l'approximation au-delà de l'ordre dominant (NLO) des corrélations hadron-jet dans les collisions p-p au LHC a été menée. Nous avons considéré deux cas : la corrélation entre un hadron et le jet de recul, et la corrélation entre un hadron et le jet qui le contient. Ces deux cas donnent des résultats similaires. Nous montrons que la production inclusive de hadrons chargés à l'intérieur d'un jet est une observable discriminante qui permet de différencier les différents jeux de FF disponibles. Nous étudions aussi le cas où l'on utilise des hadrons identifiés (kaons, protons). La deuxième partie concerne l'étude de la production associée de photon + jet de saveur lourde dans les collisions hadroniques au LHC et au Tevatron. Cette section efficace peut être utilisée pour contraindre les densités partoniques de saveurs lourdes dans le proton. Une étude antérieure avait montré qu'il y avait un grand désaccord entre les prédictions théoriques et les données expérimentales dans le cas de la production associée d'un photon et un jet de saveur charmée au Tevatron. Nous présentons trois façons de calculer cette section efficace dépendant de la manière dont est détecté le jet de saveur lourde. La première façon, appelée méthode de la masse invariante, a été utilisée pour retrouver les précédents résultats, la deuxième, appelée algorithme en kt avec saveur, utilise un algorithme de jet avec saveur qui permet de reconstruire des observables qui sont insensibles au domaine infrarouge. La troisième façon, appelée approche FF, utilise des fonctions de fragmentation de partons en hadrons de saveur lourde, la taille du jet est prise en compte à travers l'échelle de factorisation de l'état final. Les prédictions utilisant les trois façons sont données à l'approximation NLO en QCD perturbative. Elles ont été implémentées dans un programme construit à partir de JetPhox. En utilisant l'approche masse invariante, nous retrouvons les résultats précédents. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus en utilisant l'approche algorithme en kt avec saveur. Ces deux méthodes donnent des résultats théoriques qui sont trop bas comparés aux données expérimentales du Tevatron pour une saveur charmée. L'approche FF prédit une section efficace différentielle par rapport à l'impulsion transverse du photon (pt) d'environ 1,8 à 2,7 fois plus grande que celle obtenue en utilisant l'approche masse invariante pour des pt de 80 à 110 GeV au Tevatron. Ce résultat est en bon accord avec les données expérimentales. Des prédictions sont aussi présentées pour l'énergie du LHC utilisant les trois façons de calculer pour une saveur charmée ou belle. / The LHC at CERN, which is the most powerful collider in the world, was designed to search for the Higgs boson and new physics signals. But besides these discoveries, the LHC experiments have collected (and will collect) a large amount of data that can be used to improve our knowledge about Quantum ChromoDynamics (QCD). This thesis is in this former line of research, It contains two parts which use correlation variables to constrain non perturbative inputs. The first part concerns the constraints which can be put on fragmentation functions (FFs) using momentum correlation variables in hadron+jet production. The non perturbative inputs for the recent FFs were extracted from the LEP e^+e^- collision data. These LEP data put constraints on the FFs at low fragmentation variable x (x < 0.7), but do not give constraints at larger x. Because of that, the behaviors of the FF-sets at high x differ strongly from one another. A next-to-leading order (NLO) analysis of hadron-jet momentum correlations in p-p collisions at the LHC is carried out. We consider two cases: the correlation between a hadron and an away-side jet, and the correlation between a hadron and the jet to whom the hadron belongs. These two cases give similar results. We show that the inclusive charged hadron momentum distribution inside jets is a very sensitive observable which allows one to disentangle among various fragmentation function sets presently available. Correlations using identified hadrons (kaons, protons) are investigated as well. The second part concerns the study of the associated production of photon + heavy-flavor tagging in hadronic collisions at the Tevatron and the LHC. This cross section is used to constrain the heavy-flavor partonic densities inside the proton. A previous theoretical calculation showed a large discrepancy between the predictions and the experimental measurements for associated production of photon + charm at the Tevatron. We present three ways to compute this cross section depending on how the heavy flavor is tagged in experiments. The first way, called the invariant mass approach, has been used to recover the previous results, the second one, called the kt-flavor algorithm, uses a flavor jet algorithm which leads to infra-red an safe observable. The third way, called FF approach, uses fragmentation functions of partons into heavy-flavor hadrons, the jet size being taken into account in the final state factorization scale. The predictions for the three ways are given in the NLO approximation of perturbative QCD. They have been implemented into a code which has been built from the JetPhox program. By using the invariant mass approach, the results of the previous theoretical calculation have been re-obtained. These results are comparable with the one using kt-flavor algorithm. These two approaches give theoretical predictions which are too low for the charm flavor compared to Tevatron results. The charm hadron FF approach predicts a differential cross section with respect to the photon transverse momentum (pt) about 1.8 -- 2.7 times greater than the one obtained using the invariant mass approach when pt ∼ 80 -- 110 (GeV) at the Tevatron. This result agrees well with the experimental data. Predictions are given at LHC energy using the different ways for charm flavor and bottom flavor.

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In this thesis we use effective field theories of the strong interactions to improve our understanding of several quantities in the Standard Model of particle physics (SM). We also examine constraints on an extension of the SM scalar sector and study the implications for the Higgs mass. We first examine an approach to extracting the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix element |Vub| via the relationship between the B meson decays B -> Xu l nu and B -> Xs gamma, where Xi is any final state hadron containing a quark of flavour i. Model dependence is reduced in this approach since the non-perturbative shape function at leading order is universal and drops out; however the perturbative expansion at next-to-leading order is found to be poorly behaved. We carry out a renormalon analysis of the relationship between these spectra to examine higher order perturbative corrections and compare the fixed-order and log expansions. Our analysis can be used to estimate the perturbative uncertainty in the extraction of |Vub|, which we show to be relatively small. Next we take a step towards the broader goal of summing large phase space logarithms from a variety of jet algorithms using Soft Collinear Effective Theory (SCET). We develop a consistent approach to implementing arbitrary phase space constraints in SCET and demonstrate the connection between cutoffs in SCET and phase space limits. By considering several jet algorithms at next-to-leading order, we gain some insight into factorization of final state jets. In particular, we point out the connection between the ultraviolet regulator and factorization. Finally we consider a scalar sector that contains a colour-octet electroweak-doublet scalar, in addition to the SM Higgs. This extension contains the only scalar representations that Yukawa-couple to quarks and are consistent with minimal flavour violation. We examine constraints from electroweak precision data, direct production from LEPII and the Tevatron, and from flavour physics. We find both the Higgs and new scalars can be simultaneously light, with masses of O(100 GeV). The data also allows all the scalars to be heavy, with masses of O(1 TeV). The presence of the additional scalars removes the preference for a light Higgs, which normally emerges from fits to electroweak precision data.

La these de doctorat intitulee ``Mesure de la diffusion Compton a haute virtualite a HERA II' a ete realisee au sein du service de physique des particules elementaires de l'ULB sous la direction de mon promoteur Laurent Favart et porte sur l'analyse des donnees enregistrees par l'experience H1 situee aupres du collisionneur electron-proton HERA du laboratoire DESY a Hambourg. L'analyse presentee concerne l'etude d'un processus diffractif exclusif particulier, le processus de diffusion Compton a haute virtualite ou DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering), e p -> e p gamma, qui correspond a la diffusion gamma* p -> gamma p$ d'un photon hautement virtuel par le proton, dans le domaine cinematique 6.5 < Q^2 < 80 GeV2, 30 < W < 140 GeV et |t| < 1 GeV2, Q^2 designant la virtualite du photon echange, W l'energie dans le referentiel du centre de masse du systeme gamma* p et t le carre du transfert de quadri-impulsion au vertex du proton. Les donnees utilisees ont ete enregistrees au cours des annees 2004 et 2005 et correspondent a une luminosite integree de 134.8 pb-1. L'etude du processus DVCS dans le domaine cinematique envisage permet de tester avec precision les predictions que fournit la chromodynamique quantique perturbative (pQCD) pour la description de l'echange diffractif et de contraindre la parametrisation des distributions partoniques generalisees (GPD) qui interviennent dans l'expression de la section efficace du processus DVCS. Les mesures presentent la section efficace du processus DVCS elastique au niveau e p -> e p gamma de maniere simplement differentielle en Q^2, W et t et de maniere doublement differentielle en Q^2 - W, Q^2 - t et W - t. Les expressions de la section efficace reduite au niveau gamma* p -> gamma p sont ensuite extraites en fonction des variables Q^2, W et t pour l'ensemble des donnees, en fonction de W en differentes valeurs de la virtualite Q^2 et en fonction de t en differentes valeurs de Q^2 et de W. On presente egalement la mesure des differents parametres n, delta et b caracterisant le comportement de la section efficace reduite du processus DVCS elastique vis-a-vis des invariants Q^2, W et t. Les mesures de la section efficace reduite du processus DVCS elastique en fonction des variables Q^2 et W sont finalement comparees aux predictions de la QCD perturbative a l'ordre sous-dominant basees sur le formalisme des GPD. Un tres bon accord est observe entre les resultats obtenus et les predictions theoriques, tant au niveau des dependances cinematiques qu'au niveau de la normalisation de la section efficace. La comparaison entre les mesures et les predictions theoriques permet de contraindre la parametrisation utilisee pour les distributions partoniques generalisees a l'echelle initiale Q^2_0 et de conclure a l'absence de correlation d'impulsion intrinseque entre les partons participant a l'interaction dure.

La théorie de jauge régissant les interactions entre les quarks, antiquarks et gluons, est la chromodynamique quantique (QCD), reposant sur une invariance locale par rapport au groupe SU(3) de couleur. À basse énergie, soit dans le domaine des états liés hadroniques auxquels est consacrée cette thèse (mésons, baryons,…), la QCD est non-perturbative, d’où la nécessité de s’abstraire de la technique standard des diagrammes de Feynman. Le point de départ de la présente étude est le modèle dit du « tube de flux relativiste », originellement proposé comme modèle effectif des mésons. Dans ce cadre théorique, un méson est vu comme étant formé d’un quark et d’un antiquark sans spin reliés par une corde bosonique, le tube de flux. Ce dernier objet est l’élément central du modèle : il encode de manière simplifiée les échanges de gluons au niveau non-perturbatif, échanges responsables du confinement. La richesse du modèle du tube de flux relativiste provient de ce que la corde est un objet dynamique, dont le comportement physique ne peut donc pas être réduit à un simple potentiel d’interaction quark-antiquark. La première partie de ce travail est consacrée à approfondir l’étude théorique du modèle du tube de flux relativiste. En particulier, nous montrons comment y inclure les effets dus au retard ainsi que ceux dus au spin des quarks, mais également les interactions à courte portée, toutes ces contributions étant négligées dans la formulation originale du modèle. Nous nous attachons de plus à ce que les résultats présentés restent valables non seulement pour une paire quark-antiquark, mais également à d’éventuels états liés de gluons, les « boules de glu », autorisés par la QCD. Enfin, nous analysons les conséquences des fluctuations du tube de flux, et leur lien avec les « mésons hybrides », mésons exotiques dans lesquels le champ de couleur est excité. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous attachons à résoudre numériquement les équations aux valeurs propres découlant du modèle du tube de flux généralisé établi dans la précédente discussion théorique. Pour ce faire, nous montrons que la méthode numérique dite des « réseaux de Lagrange », bien établie en ce qui concerne la résolution de problèmes non-relativistes, peut être appliquée avec succès aux équations semi-relativistes inhérentes au formalisme du tube de flux relativiste. Grâce à cette technique, nous pouvons calculer les spectres de masse des mésons lourds et légers, en fixant nos paramètres par comparaison avec la QCD sur réseau afin de réduire l’arbitraire du modèle. Finalement, nous discutons de la possible application de notre approche aux boules de glus, ainsi que de l’implication de nos résultats en ce qui concerne l’interprétation d’états expérimentaux récemment détectés.