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Cette thèse présente un travail relatif à l'étude de la structure en spin longitudinal du nucléon. Le but est de déterminer la contribution des constituants du proton, quarks et gluons, à la formation de son spin 1/2. L'analyse s'appuie sur les données de l'expérience COMPASS qui bénéficie d'un faisceau de muons polarisés à 200 GeV diffusé sur les protons polarisés d'une cible d'ammoniac (NH₃) de 1,2 m de long. On mesure l'asymétrie de spin longitudinal des sections efficaces de diffusion profondément inélastique. On extrait la fonction de structure en spin du proton, g₁p, étendant la couverture cinématique mondiale à des régions inexplorées jusqu'à maintenant (0,0036 < x < 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 et 23 < W² (GeV/c)² < 320). Les résultats, d'une grande précision statistique, sont inclus dans une analyse des données mondiales de g₁p, g₁d et g₁n (proton, deutéron et neutron) au 2ème ordre de QCD afin de paramétrer les distributions de quarks et de gluons polarisés. L'étendue de la couverture cinématique en x et Q² des données mondiales de g₁, un élément déterminant pour la sensibilité à la polarisation des gluons ΔG, s'avère trop limitée pour constituer une extraction précise de celle-Ci. Néanmoins, l'analyse QCD permet de déterminer la contribution du spin des quarks au spin du proton à 0.26<ΔΣ<0.33 à Q² = 3 (GeV/c)² dans le schéma MSbar. L'étude montre que l'incertitude principale sur ΔΣ est liée au choix des formes fonctionnelles utilisées dans la régression des données. Enfin, la règle de somme de Bjorken, qui constitue un test de QCD, est vérifiée avec une précision de 9% en utilisant les données de COMPASS uniquement. / The work presented in this thesis is related to the study of the longitudinal spin structure of the nucleon. The aim is to determine the contribution to the spin 1/2 of the proton in terms of its constituents, quarks and gluons. The analysis is performed on the data taken with the COMPASS experiment, which benefits from a polarised muon beam at 200 GeV scattered off polarised protons from an ammonia target of 1.2 m long. The double longitudinal spin asymmetry of deep inelastic scattering cross-Section. The spin-Dependent structure function of the proton g₁p is derived from these measurements, which extend the kinematic world coverage to unexplored region so far (0,0036 < x< 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 and 23 < W² (GeV/c)² < 320).The results obtained with a high statistical precision are included in a Next-To-Leading order QCD analysis of world g₁p, g₁d and g₁n (proton, deuteron and neutron) data to parametrise the polarised quark and gluon distributions. The g₁ world coverage of the x and Q² kinematic domain, which is a key point in the sensitivity to the gluon polarisation ΔG, turns out to be too limited for an accurate ΔG determination. Nevertheless, the QCD analysis allows to determine the quark spin contributions to the proton spin to 0.26<ΔΣ<0.33 at Q² = 3 (GeV/c)² in the MSbar scheme. The dominant uncertainty on ΔΣ is related to the choice of functional forms assumed in the fit. Finally, the Bjorken sum rule, which constitutes a fundamental test of QCD, is verified on the COMPASS data alone with a precision of 9%.

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.

Das Zusammenspiel von Hadronen und Modifikationen ihrer Eigenschaften auf der einen Seite und spontaner chiraler Symmetriebrechung und Restauration auf der anderen Seite wird untersucht. Es werden die QCD Summenregeln für D und B Mesonen in kalter Materie berechnet. Wir bestimmen die Massenaufspaltung von D - D-bar und B - B-bar Mesonen als Funktion der Kerndichte und untersuchen den Einfluss verschiedener Kondensate in der Näherung linearer Dichteabhängigkeit. Die Analyse beinhaltet ebenfalls D_s und D^*_0 Mesonen. Es werden QCD Summenregeln für chirale Partner mit offenem Charmfreiheitsgrad bei nichtverschwindenden Nettobaryonendichten und Temperaturen vorgestellt. Es wird die Differenz sowohl von pseudoskalaren und skalaren Mesonen, als auch von Axialvektor- und Vektormesonen betrachtet und die entsprechenden Weinberg-Summenregeln hergeleitet. Basierend auf QCD Summenregeln werden die Auswirkungen eines Szenarios auf das rho Meson untersucht, in dem alle chiral ungeraden Kondensate verschwinden wohingegen die chiral symmetrischen Kondensate ihren Vakuumwert behalten. Die komplementären Folgerungen einer Massenverschiebung und Verbreiterung der rho Mesonanregung werden diskutiert. Ein alternativer Zugang basierend auf gekoppelten Dyson-Schwinger- und Bethe-Salpeter-Gleichungen für Quarkbindungszustände wird untersucht. Zu diesem Zwecke wird die analytische Struktur des Quarkpropagators in der komplexen Ebene numerisch untersucht und die Möglichkeit getestet die Anwendbarkeit auf den Sektor der schwer-leicht Quark Systeme im skalaren und pseudoskalaren Kanal, wie dem D Meson, durch Variation des Impulsteilungsparameters zu erweitern. Die Lösungen der Dyson-Schwinger-Gleichung in der Wigner-Weyl-Phase der chiralen Symmetrie bei nichtverschwindenden Stromquarkmassen wird benutzt um den Fall einer expliziten Symmetriebrechung ohne spontane Symmetriebrechung zu untersuchen. / The interplay of hadron properties and their modification in an ambient nuclear medium on the one hand and spontaneous chiral symmetry breaking and its restoration on the other hand is investigated. QCD sum rules for D and B mesons embedded in cold nuclear matter are evaluated. We quantify the mass splitting of D - D-bar and B - B-bar mesons as a function of the nuclear matter density and investigate the impact of various condensates in linear density approximation. The analysis also includes D_s and $D^*_0 mesons. QCD sum rules for chiral partners in the open-charm meson sector are presented at nonzero baryon net density or temperature. We focus on the differences between pseudo-scalar and scalar as well as vector and axial-vector D mesons and derive the corresponding Weinberg type sum rules. Based on QCD sum rules we explore the consequences of a scenario for the rho meson, where the chiral symmetry breaking condensates are set to zero whereas the chirally symmetric condensates remain at their vacuum values. The complementarity of mass shift and broadening is discussed. An alternative approach which utilizes coupled Dyson-Schwinger and Bethe-Salpter equations for quark-antiquark bound states is investigated. For this purpose we analyze the analytic structure of the quark propagators in the complex plane numerically and test the possibility to widen the applicability of the method to the sector of heavy-light mesons in the scalar and pseudo-scalar channels, such as the D mesons, by varying the momentum partitioning parameter. The solutions of the Dyson-Schwinger equation in the Wigner-Weyl phase of chiral symmetry at nonzero bare quark masses are used to investigate a scenario with explicit but without dynamical chiral symmetry breaking.

Bien qu'ayant beaucoup de succès pour décrire la grande variété de phénomènes de la physique des particules, le Modèle Standard (MS) laisse certaines propriétés de la nature sans explication. Ici, nous allons mettre l'accent sur le traitement différent des chiralités de type gauche et droite dans le cadre du MS. Une façon naturelle d'expliquer cela est de plonger le MS dans un modèle plus fondamental, capable de traiter les chiralités d'une manière symétrique. Cette classe de modèles, connue sous le nom de "modèles à symétrie droite-gauche" (LR models, en anglais), introduit une nouvelle interaction qui couple préférentiellement aux champs "droitiers". Puis, à une haute échelle d'énergie, la symétrie reliant droite et gauche est brisée spontanément donnant naissance au MS et aux phénomènes de violation de symétrie de parité. La manière spécifique par laquelle le mécanisme Brout-Englert-Higgs (BEH) se produit dans les modèles LR peut être sondée par des observables électrofaibles de précision, ce qui sert de premier test de l'extension du MS dans le secteur électrofaible. Comme conséquence du mécanisme BEH dans les modèles LR, de nouveaux bosons de jauge sont présents. Ce sont W’ et Z’, censés être beaucoup plus lourds que les bosons de jauge W et Z afin d'expliquer pourquoi ils n'ont jamais été vus jusqu'à présent. Ces nouvelles particules sont accompagnées d'une riche phénoménologie, comme de nouvelles sources de violation de CP au-delà de celle du MS. En outre, un nouveau secteur scalaire neutre introduit des courants qui changent la saveur (FCNC, en anglais) au niveau des arbres, un processus fortement restreint dans le MS, où il arrive seulement à l'ordre des boucles. L'existence de FCNCs fournit des contraintes extrêmement puissantes sur les modèles LR, et mérite donc une attention spéciale, en particulier lors du calcul des corrections venant de la QCD. Nous calculons donc les corrections au Next-to-Leading Order des effets à de courtes distances venant de la QCD aux contributions du modèle LR aux observables liées au mélange de mésons neutres et sensibles donc aux FCNC.Ensuite, nous considérons l'étude phénoménologique des modèles LR afin de tester leur viabilité et leur structure. Plus particulièrement, nous considérons le cas où des doublets scalaires sont responsables de la brisure du groupe de jauge des modèles LR. A cet effet, nous menons une étude combinée des observables de précision électrofaible, des bornes directes sur la masse des nouveaux bosons de jauge et des observables qui dérivent de l'oscillation des mésons neutres, dans le cas plus simple où la matrice de mixing dans le secteur droit est égal à la matrice CKM. Ces observables sont combinées dans le cadre du paquet CKMfitter d'analyse statistique. La combinaison de différentes classes d'observables doit prendre en compte la particularité des incertitudes théoriques, qui ne sont pas de nature statistique comme d'autres sources d'incertitude. A ce propos, nous considérons aussi la comparaison de différentes modèles d'incertitude théorique, afin de trouver des méthodes bien adaptées à la situation actuelle de notre connaissance des incertitudes théoriques impliquées dans un fit global en physique de la saveur. / Though very successful in explaining a wide variety of particle physics phenomena, the Standard Model (SM) leaves unexplained some properties of nature. Here we focus on the different behaviours of left- and right-handed chiralities, or in other words the violation of parity symmetry. A possible and somewhat natural avenue to explain this feature is to embed the SM into a more symmetric framework, which treats the chiralities on equal footing. This class of models, the Left-Right (LR) Models, introduces new gauge interactions that couple preferentially to right-handed fields. Then, at an energy scale high enough, LR symmetry is spontaneously broken through the Brout-Englert-Higgs (BEH) mechanism, thus giving origin to the SM and to parity violating phenomena. The specific way in which the BEH mechanism operates in LR Models can be probed by EW Precision Observables, consisting of quantities that have been very accurately measured, serving as a first test of consistency for extensions of the SM in the EW sector. We revisit a simple realization of LR Models containing doublet scalars, and consider the phenomenological study of this doublet scenario in order to test the viability and structure of the LR Models. In particular, there is a rich phenomenology associated to the new gauge bosons W’ et Z’ introduced by LR Models, such as new sources of CP violation beyond the one of the SM. Moreover, the extended neutral scalar sector introduces Flavour Changing Neutral Couplings (FCNC) at tree level, which are strongly suppressed in the SM where they arrive first at one loop. FCNCs typically lead to extremely powerful constraints since they contribute to meson-mixing processes, and therefore deserve close attention. For this reason, we consider the calculation of short-distance QCD effects correcting the LR Model contributions to meson-mixing observables up to the Next-to-Leading Order (NLO), a precision required to set solid lower bounds on the LR Model scales. Finally, we combine in a global fit electroweak precision observables, direct searches for the new gauge bosons and meson oscillation observables in the simple case where the right-handed analogous of the CKM mixing-matrix is equal to the CKM matrix itself (a scenario called CKMfitter symmetry). The full set of the observables is combined by using the CKMfitter statistical framework, based on a frequentist analysis and a particular scheme for modeling theoretical uncertainties. We also discuss other possible modelings of theoretical uncertainties in a prospective study for future global flavour fits made by the CKMfitter Collaboration.

The goal of the QPACE project is to build a novel cost-efficient massive parallel supercomputer optimized for LQCD (Lattice Quantum Chromodynamics) applications. Unlike previous projects which use custom ASICs, this is accomplished by using the general purpose multi-core CPU PowerXCell 8i processor tightly coupled with a custom network processor implemented on a modern FPGA. The heterogeneous architecture of the PowerXCell 8i processor and its core-independent OS-bypassing access to the custom network hardware and application-oriented 3D torus topology pose interesting challenges for the implementation of the applications. This work will describe and evaluate the implementation possibilities of message passing APIs: the more general MPI, and the more QCD-oriented QMP, and their performance in PPE centric or SPE centric scenarios. These results will then be employed to optimize HPL for the QPACE architecture. Finally, the developed approaches and concepts will be briefly discussed regarding their applicability to heterogeneous node/network architectures as is the case in the "High-speed Network Interface with Collective Operation Support for Cell BE (NICOLL)" project.

Das Zusammenspiel von Hadronen und Modifikationen ihrer Eigenschaften auf der einen Seite und spontaner chiraler Symmetriebrechung und Restauration auf der anderen Seite wird untersucht. Es werden die QCD Summenregeln für D und B Mesonen in kalter Materie berechnet. Wir bestimmen die Massenaufspaltung von D - D-bar und B - B-bar Mesonen als Funktion der Kerndichte und untersuchen den Einfluss verschiedener Kondensate in der Näherung linearer Dichteabhängigkeit. Die Analyse beinhaltet ebenfalls D_s und D^*_0 Mesonen. Es werden QCD Summenregeln für chirale Partner mit offenem Charmfreiheitsgrad bei nichtverschwindenden Nettobaryonendichten und Temperaturen vorgestellt. Es wird die Differenz sowohl von pseudoskalaren und skalaren Mesonen, als auch von Axialvektor- und Vektormesonen betrachtet und die entsprechenden Weinberg-Summenregeln hergeleitet. Basierend auf QCD Summenregeln werden die Auswirkungen eines Szenarios auf das rho Meson untersucht, in dem alle chiral ungeraden Kondensate verschwinden wohingegen die chiral symmetrischen Kondensate ihren Vakuumwert behalten. Die komplementären Folgerungen einer Massenverschiebung und Verbreiterung der rho Mesonanregung werden diskutiert. Ein alternativer Zugang basierend auf gekoppelten Dyson-Schwinger- und Bethe-Salpeter-Gleichungen für Quarkbindungszustände wird untersucht. Zu diesem Zwecke wird die analytische Struktur des Quarkpropagators in der komplexen Ebene numerisch untersucht und die Möglichkeit getestet die Anwendbarkeit auf den Sektor der schwer-leicht Quark Systeme im skalaren und pseudoskalaren Kanal, wie dem D Meson, durch Variation des Impulsteilungsparameters zu erweitern. Die Lösungen der Dyson-Schwinger-Gleichung in der Wigner-Weyl-Phase der chiralen Symmetrie bei nichtverschwindenden Stromquarkmassen wird benutzt um den Fall einer expliziten Symmetriebrechung ohne spontane Symmetriebrechung zu untersuchen. / The interplay of hadron properties and their modification in an ambient nuclear medium on the one hand and spontaneous chiral symmetry breaking and its restoration on the other hand is investigated. QCD sum rules for D and B mesons embedded in cold nuclear matter are evaluated. We quantify the mass splitting of D - D-bar and B - B-bar mesons as a function of the nuclear matter density and investigate the impact of various condensates in linear density approximation. The analysis also includes D_s and $D^*_0 mesons. QCD sum rules for chiral partners in the open-charm meson sector are presented at nonzero baryon net density or temperature. We focus on the differences between pseudo-scalar and scalar as well as vector and axial-vector D mesons and derive the corresponding Weinberg type sum rules. Based on QCD sum rules we explore the consequences of a scenario for the rho meson, where the chiral symmetry breaking condensates are set to zero whereas the chirally symmetric condensates remain at their vacuum values. The complementarity of mass shift and broadening is discussed. An alternative approach which utilizes coupled Dyson-Schwinger and Bethe-Salpter equations for quark-antiquark bound states is investigated. For this purpose we analyze the analytic structure of the quark propagators in the complex plane numerically and test the possibility to widen the applicability of the method to the sector of heavy-light mesons in the scalar and pseudo-scalar channels, such as the D mesons, by varying the momentum partitioning parameter. The solutions of the Dyson-Schwinger equation in the Wigner-Weyl phase of chiral symmetry at nonzero bare quark masses are used to investigate a scenario with explicit but without dynamical chiral symmetry breaking.

Streuamplituden der Quantenchromodynamik (QCD), N = 4 Super-Yang-Mills-Theorie (SYM-Theorie) und der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theorie werden untersucht, mit einem Fokus auf die Symmetrien und Relationen zwischen den Streuamplituden dieser Eichtheorien auf dem Baum-Niveau. Die Baum-Niveau- und Ein-Schleifen-Farbzerlegung beliebiger QCD-Amplituden in primitive Amplituden wird bestimmt und Identitäten hergeleitet, welche den Nullraum unter den primitiven Amplituden aufspannen. Anschließend wird bewiesen, dass alle farbgeordneten Baum-Niveau-Amplituden der masselosen QCD aus der N = 4 SYM-Theorie erhalten werden können. Analytische Formeln für alle für die QCD relevanten N = 4 SYM-Amplituden werden bestimmt und die Effizienz und Genauigkeit der numerischen Auswertung der analytischen Formeln für farbgeordnete QCD-Baum-Niveau-Amplituden mit einer effizienten numerischen Implementierung der Berends-Giele-Rekursion verglichen. Die Symmetrien der massive Amplituden auf dem Coulomb-Zweig der N = 4 SYM-Theorie werden hergeleitet. Diese können durch eine dimensionale Reduktion der masselosen Baum-Niveau-Amplituden der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theory erhalten werden. Darüber hinaus wird bezeigt, wie es mit Hilfe einer numerischen Implementierung der BCFW-Rekursion möglich ist analytische Formeln für die Baum-Niveau-Superamplituden der N = (1, 1) SYM-Theory zu erhalten und die Möglichkeit eines Uplifts der masselose Baum-Niveau-Amplituden der N = 4 SYM-Theory untersucht. Schließlich wird eine Alternative zur dimensionalen Regularisierung der N = 4 SYM-Theorie untersucht. Die Infrarotdivergenzen werden hierbei durch Massen regularisiert, die durch einen Higgs-Mechanismus erhalten wurden. Die korrespondierende Stringtheorie-Beschreibung deutet auf eine exakte duale konforme Symmetrie der Streuamplituden hin. Durch explizite Rechnungen wird dies bestätigt und Vorteile des Regulators werden demonstriert. / We study scattering amplitudes in quantum chromodynamics (QCD), N = 4 super Yang-Mills (SYM) theory and the six-dimensional N = (1, 1) SYM theory, focusing on the symmetries of and relations between the tree-level scattering amplitudes in these three gauge theories. We derive the tree level and one-loop color decomposition of an arbitrary QCD amplitude into primitive amplitudes. Furthermore, we derive identities spanning the null space among the primitive amplitudes. We prove that every color ordered tree amplitude of massless QCD can be obtained from gluon-gluino amplitudes of N = 4 SYM theory. Furthermore, we derive analytical formulae for all gluon-gluino amplitudes relevant for QCD. We compare the numerical efficiency and accuracy of evaluating these closed analytic formulae for color ordered QCD tree amplitudes to a numerically efficient implementation of the Berends-Giele recursion. We derive the symmetries of massive tree amplitudes on the coulomb branch of N = 4 SYM theory, which in turn can be obtained from N = (1, 1) SYM theory by dimensional reduction. Furthermore, we investigate the tree amplitudes of N = (1, 1) SYM theory and explain how analytical formulae can be obtained from a numerical implementation of the supersymmetric BCFW recursion relation and investigate a potential uplift of the massless tree amplitudes of N = 4 SYM theory. Finally we study an alternative to dimensional regularization of N = 4 SYM theory. The infrared divergences are regulated by masses obtained from a Higgs mechanism. The corresponding string theory set-up suggests that the amplitudes have an exact dual conformal symmetry. We confirm this expectation and illustrate the calculational advantages of the massive regulator by explicit calculations.

La Chromodynamique Quantique (QCD) sur réseau permet d'étudier de façon ab-initio et non-perturbative les processus d'interaction forte. Ce formalisme, qui permet une régularisation covariante de la théorie de l'interaction forte, fournit aussi un cadre naturel pour le calcul et la simulation numérique de la Chromodynamique Quantique. Dans cette thèse, après un tour d'horizon des principales propriétés de la QCD et une présentation détaillée de notre discrétisation de cette théorie sur un réseau, nous étudions de façon approfondie deux problèmes de physique hadronique : le phénomène de diffusion résonante et la structure du nucléon. Les calculs sont réalisés avec les configurations de jauge de la Collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal, générées avec une action de Wilson améliorée avec 2+1 saveurs de quarks dynamiques. Elles couvrent une large gamme de pas de réseau, de volumes et de masses des quarks différents, permettant ainsi une étude fine de la sensibilité de nos résultats à ces paramètres, et fournissant un bon contrôle sur l'extrapolation au continu. Notre étude de la diffusion de particules sur le réseau est menée grâce à une méthode proposée par M. Lüscher. Nous avons choisi le cas particulier de la diffusion pion-pion dans le canal résonant du méson rho, et analysé nos données avec une méthode variationnelle aux valeurs propres généralisées. Nous présentons les déphasages pion-pion ainsi que les paramètres de la résonance obtenus de façon détaillée, tout en garantissant un bon contrôle de nos erreurs systématiques. Nos résultats apportent une avancée importante dans le panorama des études de diffusion sur le réseau car ce sont les premiers réalisés à la masse physique du pion, pour laquelle la désintégration du rho en deux pions peut effectivement avoir lieu. Les valeurs obtenues pour les paramètres de la résonance du méson rho sont accord avec l'expérience, et confirment la faible dépendance du couplage entre le rho et les deux pions à la masse du pion. L'exploration de la structure du nucléon se fait à travers un calcul complet des facteurs de forme électrofaibles isovectoriels, avec une étude approfondie du rayon de charge électrique et de la charge axiale. Notre analyse présente aussi des données à la masse physique du pion, ce qui s'avère crucial pour maîtriser les extrapolations au point physique, étant données les variations violentes prédites par la perturbation chirale de ces quantités. Notre calcul utilise une projection sur les états du nucléon à la source et au puits, et une méthode de fit combinant les fonctions de corrélation à deux et trois points afin de réduire et de contrôler au maximum les contaminations pouvant venir des états excités. Bien que davantage de données seraient nécessaires pour déterminer très précisément le rayon et la charge axiale au point physique avec une évaluation pertinente des erreurs systématiques, les valeurs que nous obtenons sont en bon accord avec l'expérience, et suggèrent que les effets dus aux états excités sont faibles et sous contrôle. Notre analyse souligne aussi que l'utilisation de configurations de jauge avec des masses de pion proches de la valeur physique et avec des grands volumes semble indispensable à une étude précise de la structure du nucléon sur réseau. / The formalism of Quantum Chromodynamics on the lattice (or Lattice QCD) allows to perform ab-initio non-perturbative studies of strong-interaction driven processes, as it provides both a covariant regularisation of the theory of QCD and a natural framework for numerical computations. In this work, after a review of the main features of QCD and a step-by-step presentation of our discretization of QCD on a lattice, we undertake detailed studies of two problems of hadronic physics: the phenomenon of resonant scattering and the structure of the nucleon. The lattice calculations are performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration's 2+1-flavour gauge configurations, which give access to a wide range of lattice spacings, volumes and quarks masses, thereby allowing to study the sensibility of our results on these parameters, and to perform a complete continuum extrapolation. These configurations include dynamical quarks, and use a clover-improved Wilson QCD action. To investigate the scattering of particles on the lattice, we set up a Lüscher analysis for the emblematic case of pion-pion scattering in the channel of the rho meson resonance. We analyse our data with a variational generalized eigenvalue method, and give an in-depth calculation of the scattering phase-shifts and the corresponding resonance parameters, with a full control of the systematic errors. Our results provide an important step for lattice studies of scattering states, as they are the first to be performed at the physical pion mass, where one can see the actual decay of the rho into two pions. The obtained rho meson parameters are in good agreement with the experimental values, and consistent with a weak pion mass dependence of the coupling between the rho and two pions. As for our probe of the structure of the nucleon, we present a complete extraction of the electroweak isovector form factors, with a comprehensive study of the electric charge squared radius and of the axial charge. Our analysis also feature data at the physical pion mass, which turns out to be crucial in order to perform safe extrapolations to the physical point, as the chiral perturbation theory predicts violent variations of these quantities near the massless-quarks point. Our calculation includes source and sink projections onto the nucleon state, as well as a combined fit method between the two-point and three-point correlation functions to control the contamination of our data by excited states. Although one would need more data to perform a high-accuracy determination of the nucleon radius and axial charge at the physical point with a relevant estimation of the systematic errors, the results we obtain are in good agreement with the experiment and suggest that the excited-state effects are under control. Our analysis also highlights that gauge configurations ensembles near the physical pion mass and with large volumes must be used in order to extract accurate information about the nucleon structure from lattice calculations.

Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions à l'exception de la gravité. Jusqu'à présent, la plupart des résultats expérimentaux sont en accord avec les prédictions du MS. Cependant, il existe encore des questions de nature expérimentale ou théorique qui restent sans réponse. Les particules massives qui se désintègrent en une paire de quarks top-antitop sont prédites par certains des modèles de physique au-delà du Modèle Standard, qui tentent de répondre à ces questions.Une recherche de nouvelles résonances tt est présentée dans ce manuscrit, en utilisant l'ensemble de données 2015 (début des Run 2) à partir des collisions proton-proton produites par le Large Hadron Collider (LHC) avec une énergie de faisceau de 13 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité intégrée de 3.2 fb-1 recueillie par le détecteur ATLAS. La signature de l'état final recherché est caractérisée par la présence d'un électron ou d'un muon, d'un certain nombre de jets de hadrons et de l'énergie transverse manquante. La masse invariante des systèmes tt (mrecott ) est la principale observable sur cette recherche, et est utilisée pour tester la compatibilité des données avec l'hypothèse MS seule. Pour la région à grand mtt, les quarks top sont produits avec un grande impulsion et leurs produits de désintégration sont collimatés. Dans cette région, la sous-structure des jets doit être utilisée pour identifier les paires tt (scénario « boosted »), tandis que pour de basses valeurs de mtt, les produits de désintégration des quark top sont bien séparés (scénario « resolved »).Les résultats préliminaires sur l'analyse « boosted » sont présentés dans ce manuscrit. Dans les spectres de masse analysés, aucune preuve de l'existence de nouvelles particules n'a été trouvée. Pour une boson Z’TC2 « Topcolor assisted technicolor » avec une largeur relative de 1.2 %, des masses inférieures à 2 TeV sont exclues, l'améliorant les limites antérieures obtenues lors du Run 1. Des études de perspective pour inclure les topologies « resolved » sont également discutées, avec en particulier l'estimation du bruit de fond multi-jet en utilisant la « méthode de la matrice ». En outre, la méthode d'étalonnage des jets in-situ est proposée pour améliorer la résolution sur mtt. L'impact après chaque étape de la procédure de mise à l'échelle est présentée en utilisant des simulations à 8 TeV. / Massive particles decaying into a top-antitop pair (tt) are predicted by many theoretical models, which are introduced to provide explanations to the various open questions raised by the current formulation of the Standard Model of Particle Physics (SM). A search for new tt resonances is presented in this manuscript, using the 2015 dataset (early Run 2) from the proton-proton collisions at Large Hadron Collider (LHC) with a beam energy of 13 TeV at the centre-of-mass and with an integrated luminosity of 3.2 fb-1 collected by the ATLAS detector. The final state signature focuses on the lepton-plus-jets channel, which is characterised by the presence of an electron or muon, certain number of jets of hadrons and missing transverse energy. The invariant mass of the tt system (mtt) is the main observable on this search, which is used to test the compatibility of the data with the SM-only hypothesis. For the high mtt region, the selected events are dominated by top-quarks with collimated decay products, and jet substructure techniques have to be used to select the tt pairs (boosted scenario), while for low mtt, the selected events are dominated by top-quarks with well separated decay products (resolved scenario).Preliminary results on the boosted analysis are presented in this manuscript. In the analysed mass spectra, no evidence of the existence of new particles was found. For a topcolor-assisted technicolorZ’TC2 boson with a relative width of 1.2%, masses below 2 TeV are excluded, improving the previous limits obtained at Run 1. Perspective studies to include the resolved topologies are also discussed, where the estimation of the QCD multi-jet background using the « matrix method » is exposed in detail. In addition, the in-situ « jet rescaling » method is proposed to improve the mtt resolution. The impact after each step of the rescaling procedure is presented using 8 TeV simulations.