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.

Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes permettent l'étude de la matière nucléaire dans des conditions extrêmes de température et de pression et, en particulier, d'une nouvelle phase de la matière nucléaire : le plasma de quarks et de gluons (QGP). Le collisionneur RHIC, situé au Laboratoire National de Brookhaven (USA), réalise de telles collisions. PHENIX, l'un des quatre détecteurs en fonctionnement sur ce collisionneur, est le seul capable de mesurer des muons. Dans ce mémoire, nous présentons une analyse des données dimuons récoltées en collisions p + p par PHENIX lors de deux campagnes de prises de données (runs 3 et 4). Les collisions p + p fournissent une référence indispensable à l'interprétation des collisions d'ions lourds. L'objectif de l'analyse décrite dans ce mémoire est l'extraction des sections efficaces de production des composantes physiques du spectre dimuon observé à RHIC en collisions p + p : $J/\psi$ , charme ouvert et Drell-Yan. Cette analyse s'appuie sur un ajustement global du spectre de masse invariante dimuon. Cet ajustement a été possible grâce à l'étude préalable par simulation des formes des distributions en masse des différentes contributions physiques. Les taux de production des différentes contributions ont ainsi pu être déduits. Enfin, l'étude de la réponse du détecteur à chaque contribution et l'introduction des diverses efficacités ont permis l'obtention des sections efficaces de production. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats déjà existants et montrent un bon accord général. Le travail présenté dans ce mémoire constitue la première estimation de la section efficace de production du charme dans le canal dimuon ainsi que la première estimation de la section efficace de production du Drell-Yan à RHIC.

La brisure spontanee de la symetrie chirale (BSSX) gouverne QCD a basse energie. Si on pouvait augmenter le nombre de saveurs legeres N_f en partant de QCD (N_f=3), la structure de la BSSX devrait evoler du fait des boucles de quarks legers. L'etude du spectre de l'operateur de Dirac en QCD euclidienne indique que deux parametres d'ordre chiraux decroissent quand N_f augmente: le condensat de quarks legers S=- (parametre d'ordre le plus simple) et la constante de desintegration pseudoscalaire F (signal non-ambigu de la BSSX). L'ampleur de cette decroissance depend de la violation de la regle de Zweig dans le secteur scalaire. Le spectre des mesons pseudoscalaires (masses, constantes de desintegration) permet de contraindre certaines constantes de basse energie qui decrivent la structure chirale du vide pour N_f=2 (m_u,m_d->0) et N_f=3 (m_u,m_d,m_s->0). Une regle de somme permet d'exploiter des donnees dans le secteur 0++ pour contraindre S(2)-S(3). La presence de la resonance f_0(980) favorise une decroissance sensible de S entre 2 et 3 saveurs. Cette decroissance pourrait s'expliquer par la proximite d'une valeur critique de N_f pour laquelle le condensat de quarks s'annule. On peut extraire des combinaisons de parametres d'ordre chiraux tres sensibles a une telle transition de phase, en analysant la dependance en volume de moments inverses du spectre de l'operateur de Dirac sur un tore euclidien. La simulation sur reseau de ces moments inverses permettrait d'etudier la transition de phase S(N_f)->0.

Le LHC (Large Hadron Collider) fournit aux expériences du CERN (Laboratoire Européen pour la Physique des Particules) des collisions proton-proton avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse depuis fin Mars 2010. Le LHC a en particulier été conçu pour permettre la recherche du boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard encore jamais observée à ce jour, dans toute la gamme de masse où il est attendu. Ce travail de thèse est une contribution à la recherche du boson de Higgs dans CMS (Compact Muon Solenoid), l'un des quatre grands détecteurs placés auprès du LHC, et développe plusieurs outils qui permettent la mesure des bruits de fonds et l'amélioration du potentiel de découverte. Un nouvel outil de récupération des photons émis par les leptons dans l'état final de la désintégration H --> ZZ(*) ->4$\ll (\ll= e\ mu)$ a été développé dans cette thèse. Cette méthode permet la récupération d'un nombre variable de photons par événements, donne une meilleure performance que la méthode précédemment utilisée dans CMS et permet l'amélioration de la résolution sur la masse des bosons Z0 et du boson de Higgs, ainsi qu'un gain de 5% sur la significance d'une observation du boson de Higgs dans ce canal. La deuxième partie de cette thèse traite de l'étude des bruits de fond et de la recherche d'un boson de Higgs léger (110 < mH < 140 GeV) dans le canal H --> $\gamma\gamma$. Un nouvel outil de discrimination $\gamma/\pi^i0$ à l'aide d'un réseau de neurone a été mis au point pour le rejet des photons provenant de la désintégration des $\pi^0$ produits copieusement dans les jets de QCD. Les performances du réseau de neurone sont examinées dans le détail. Le réseau de neurone est alors utilisé comme variable "template" permettant la mesure du processus $\gamma$+X à partir des données avec 10 nb−1 de luminosité intégrée dans CMS. La mesure du processus $\gamma\gamma+X$ est aussi préparée à partir de la simulation dans l'hypothèse d'une luminosité intégrée de 10 pb−1. La prise en compte des effets cinématiques aux ordres supérieurs, nécessaire pour la prédiction la plus précise possible du signal H -> $\gamma\gamma$ et du bruit de fond, est effectuée dans cette thèse par la méthode de repondération, pour le gg -> H $\gamma\gamma$ processus au NNLO et pour la première fois pour le processus $\gamma\gamma$ +X au NLO, dans les deux cas à l'aide de distributions doublement différentielles. Les outils de repondération et de discrimination $\gamma/\pi^0$ sont ensuite intégrés dans l'analyse pour améliorer la sensibilité de CMS à la recherche du boson de Higgs dans le canal H->$\gamma\gamma$ dans le modèle standard et au-delà, grâce à une paramétrisation effective développée par des phénoménologues avec lesquels nous avons travaillé.

La première mesure du spectre en phi*_eta du boson Z à 7 TeV a été réalisée dans cette thèse. Cette variable permet de sonder la dynamique de production des Z de façon fine. L'échantillon complet des données enregistrées par ATLAS en 2011 a été utilisé ce qui correspond à 4.7/fb de luminosité intégrée. Les résultats de cette mesure sont publiés dans la Ref. [18] fondé sur la note interne Ref. [69]. La section efficace différentielle de Z->ee en fonction phi*_eta a été mesurée et comparée aux calculs perturbatifs à ordre fixé, avec/sans resommation pour la région des petits phi*_eta. Le code RESBOS fournit la meilleure description des données, cependant il est incapable de reproduire, à mieux de 4%, la forme détaillée de la section efficace mesurée. La section efficace différentielle a également été comparée aux prédictions de différents générateurs Monte Carlo interfacés avec un algorithme de parton shower. Les meilleures descriptions du spectre en phi*_eta mesuré sont données par les générateurs SHERPA et POWHEG+PYTHIA8. La mesure précise de la section efficace différentielle en phi*_eta fournit des informations précieuses pour l'ajustement des codes Monte Carlo. La précision expérimentale typique de cette mesure (~0.5%) est dix fois meilleure que la précision des calculs théoriques et elle est donc aussi précieuse pour contraindre la théorie. La mesure du spectre en ptZ a également été faite pour quantifier l'incertitude systématique de cette mesure en utilisant la grande statistique de l'échantillon de données. Cela permet de comparer deux mesures qui traitent de l'impulsion transverse du boson Z. Dans la plupart du domaine en phi*_eta l'incertitude systématique de la mesure de ptZ est deux fois plus grande que celle de la mesure de phi*_eta. Cette comparaison confirme l'intérêt de la variable phi*_eta. Les résultats présentés dans cette thèse ont beaucoup d'implications pour les études futures. Ajustant les générateurs Monte Carlo en utilisant les résultats de la mesure précise du spectre en phi*_eta minimisera l'incertitude sur leurs paramètres. Une mesure de la section efficace doublement différentielle en ptZ et phi*_eta est intéressante pour mieux comprendre la corrélation entre ces deux variables. La mesure précise du spectre en ptZ utilisant la variable phi*_eta peut être appliquée au spectre en ptW et on sait que des mesures plus fines du ptW sont importante pour une détermination précise de la masse du boson W. De plus, une compréhension précise du spectre en ptZ est importante pour comprendre les propriétés cinématiques de la production du boson de Higgs.

Du fait de son très grand potentiel de découverte, l'entrée en activité du Large Hadron Collider (LHC) au CERN est très attendue par toute la communauté de la physique des particules. En effet, les énergies disponibles ouvrent de nouvelles perspectives dans de nombreuses thématiques. En particulier, elles permettront de tester expérimentalement différents formalismes de la ChromoDynamique Quantique (QCD) élaborés depuis ces dernières années afin d'étudier les collisions hadroniques dans la limite des hautes énergies. La théorie du Color Glass Condensate (CGC) est l'un d'entre eux et prédit un régime de saturation, au sein des noyaux, de la densité<br />partonique dans le domaine des très petits x, domaine largement accessible au LHC. Le CGC présente un grand intérêt dans l'étude des collisions d'ions lourds ultra-relativistes plomb-plomb puisqu'elle permet d'en décrire les conditions initiales du système qui évoluera vers un état où les quarks et les gluons sont déconfinés : le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). ALICE est l'expérience du LHC dédiée à l'étude du PQG dont l'une des voies d'étude est la mesure de la production des quarkonia lourds à l'aide d'un spectromètre à muons. Couvrant un domaine de rapidité entre −4 < y < −2.5, ce dernier peut s'avérer particulièrement intéressant pour étudier le CGC.<br />La première partie de ce travail présente les tests de performances des chambres de trajectographie du spectromètre à muons équipées avec l'électronique d'acquisition finale CROCUS. Ils ont conduit à poser les bases du processus de calibration de l'électronique frontale. La seconde partie concerne des simulations effectuées sur<br />certains paramètres électroniques pouvant affecter les performances du spectromètre à muons. La dernière partie développe les prédictions du modèle du CGC pour la production de quarks lourds et la manifestation des effets de saturation via la mesure des muons issus de ces quarks.

Les désintégrations semileptoniques du méson $B$ participent à la détermination de certains paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Ce travail décrit essentiellement l'étude des deux canaux de désintégrations $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ et $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (où les $D^{**}$ sont les premières excitations orbitales des mésons $D$ ayant une parité positive). Le cadre théorique est celui de la QCD sur réseau qui, en discrétisant l'espace-temps, permet de calculer non perturbativement les fonctions de Green de la théorie. En utilisant l'action à masse twistée avec deux saveurs dégénérées de quarks dynamiques ($N_f=2$), nous avons commencé par étudier la spectroscopie des états charmés scalaires $D_0^*$ et tenseurs $D_2^*$. Ensuite, nous avons réalisé la détermination du facteur de forme $G_s(1)$ décrivant le processus $B_s\to D_s \ell \bar\nu_\ell$ dans le Modèle Standard. Ce paramètre offre un moyen d'extraire l'élément de la matrice CKM $V_{cb}$. Par ailleurs, et pour la première fois en QCD sur réseau, nous avons déterminé les rapports $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ et $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ dans la région proche du recul nul: ces contributions sont en effet nécessaires afin de discuter ce canal de désintégration dans certains modèles au-delà du Modèle Standard. Enfin, une étude préliminaire du canal de désintégration $B\to D^{**}$ a été abordée où nous avons trouvé une valeur non nulle de l'élément de matrice décrivant la désintégration $B\to D_0^*$ à recul nul contrairement de ce qui est connu à la limite des quarks lourds. Dans le cas du $B \to D_2^*$, nos résultats ont montré un signal indiquant une différence par rapport aux prédictions de masse infinie. Ces calculs sont indispensables afin de tirer une conclusion plus solide concernant le ''puzzle 1/2 vs 3/2''.

Les désintégrations semileptoniques du méson $B$ participent à la détermination de certains paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Ce travail décrit essentiellement l'étude des deux canaux de désintégrations $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ et $B\to D^{**} \ell \bar\nu_\ell$ (où les $D^{**}$ sont les premières excitations orbitales des mésons $D$ ayant une parité positive). Le cadre théorique est celui de la QCD sur réseau qui, en discrétisant l'espace-temps, permet de calculer non perturbativement les fonctions de Green de la théorie. En utilisant l'action à masse twistée avec deux saveurs dégénérées de quarks dynamiques ($N_f=2$), nous avons commencé par étudier la spectroscopie des états charmés scalaires $D_0^*$ et tenseurs $D_2^*$. Ensuite, nous avons réalisé la détermination du facteur de forme $\mathscr G_s(1)$ décrivant le processus $B_s\to D_s \ell \bar\nu_\ell$ dans le Modèle Standard. Ce paramètre offre un moyen d'extraire l'élément de la matrice CKM $V_{cb}$. Par ailleurs, et pour la première fois en QCD sur réseau, nous avons déterminé les rapports $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ et $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ dans la région proche du recul nul: ces contributions sont en effet nécessaires afin de discuter ce canal de désintégration dans certains modèles au-delà du Modèle Standard. Enfin, une étude préliminaire du canal de désintégration $B\to D^{**}$ a été abordée où nous avons trouvé une valeur non nulle de l'élément de matrice décrivant la désintégration $B\to D_0^*$ à recul nul contrairement de ce qui est connu à la limite des quarks lourds. Dans le cas du $B \to D_2^*$, nos résultats ont montré un signal indiquant une différence par rapport aux prédictions de masse infinie. Ces calculs sont indispensables afin de tirer une conclusion plus solide concernant le ''puzzle 1/2 vs 3/2''

Im Rahmen des Funktionalintegralzugangs zur Quanteneichfeldtheorie wird in der vorliegenden Arbeit eine Quantisierungsprozedur in Termen eichinvarianter Felder vorgeschlagen und am Beispiel zwei- und vierdimensionaler abelscher Modelle (Thirring-Modell und QED) sowie der One-Flavour QCD konkret realisiert. Dazu wird die Algebra der aus der eichabhängigen Feldkonfiguration der zugrunde liegenden Quantenfeldtheorie gebildeten eichinvarianten Grassmann-Algebra-wertigen Differentialformen, welche die Struktur einer Z_2-graduierten Differentialalgebra trägt, näher untersucht. Danach erfolgt die Implementierung eines geeignet gewählten Satzes eichinvarianter Felder sowie bestimmter algebraischer Relationen in das Funktionalintegral, wodurch die ursprüngliche eichabhängige Feldkonfiguration ausintegriert werden kann. Diese als "Reduktion des Funktionalintegrals" bezeichnete Prozedur führt schließlich auf eine effektive bosonisierte (Quanten-) Theorie wechselwirkender eichinvarianter, und damit physikalischer Felder. Die vorgestellte Prozedur kann als allgemeines Bosonisierungsschema für Quantenfeldtheorien in beliebigen Raum-Zeit-Dimensionen angesehen werden. Die physikalische Auswertung der erhaltenen effektiven Theorien wird am Beispiel der Berechnung der chiralen Anomalie sowie bestimmter Vakuum-Erwartungswerte im Rahmen der untersuchten abelschen Modelle demonstriert. Wie sich dabei zeigt, wird man mit einer Reihe neuartiger Phänomene und Probleme konfrontiert, die bei geeigneter Behandlung tiefere Einblicke in nichtperturbative Fragestellungen erlauben. / Within the thesis a new procedure, called "reduction of the functional integral", is developed for formulating quantum field theories in terms of gauge invariant quantities (physical observable fields). It provides a new way for the construction and analysis of effective field theoretical models. Starting with a detailed mathematical analysis of the algebra of Grassmann--algebra valued gauge invariants, the procedure is applied to the two--dimensional Thirring--model, the four--dimensional spinor QED and the one--flavor QCD in four dimensions. For each of these three models an effective theory of interacting bosonic gauge invariant fields was deduced on the quantum level. Apart from this more theoretical considerations, first steps on the way to an analysis of the obtained effective models towards their application in various physical problems are performed. In the case of the two Abelian models a new approach to the bosonisation scheme and the calculation of the chiral anomaly in two and four dimensions were obtained, giving some deeper insight into the nature of the bosonisation phenomenon as well as the nature of anomalies, respectively. Moreover, the investigation of current--current expectation values shows that the suggested procedure can be viewed as a new way towards a non--perturbative formulation and understanding of quantum field theories.

Ultra-relativisitic heavy ion collisions produce quark gluon plasma-a hot and dense soup of deconfined quarks and gluons akin to the early universe. We study two models in the context of these collisions namely, Polyakov Quark Meson Model (PQM) and Hadron Resonance Gas Model (HRGM).The PQM Model provides us with a simple and intuitive understanding of the QCD equation of state and thermodynamics at non zero temperature and baryon density while the HRGM is the principle model to analyse the hadron yields measured in these experiments across the entire range of beam energies. We study the effect of including the commonly neglected fermionic vacuum fluctuations to the (2+1) flavor PQM model. The conventional PQM model suffers from a rapid phase transition contrary to what is found through lattice simulations. Addition of the vacuum term tames the rapid transition and significantly improves the model’s agreement to lattice data. We further investigate the role of the vacuum term on the phase diagram. The smoothening effect of the vacuum term persists even at non zero . Depending on the value of the mass of the sigma meson, including the vacuum term results in either pushing the critical end point into higher values of the chemical potential or excluding the possibility of a critical end point altogether. We compute the fluctuations(correlations) of conserved charges up to sixth(fourth) order. Comparison is made with lattice data wherever available and overall good qualitative agreement is found, more so for the case of the normalised susceptibilities. The model predictions for the ratio of susceptibilities approach to that of an ideal gas of hadrons as in HRGM at low temperatures while at high temperature the values are close to that of an ideal gas of massless quarks. We examine the stability of HRGMs by extending them to take care of undiscovered resonances through the Hagedorn formula. We find that the influence of unknown resonances on thermodynamics is large but bounded. We model the decays of resonances and investigate the ratios of particle yields in heavy-ion collisions. We find that extending these models do not have much effect on hydrodynamics but the hadron yield ratios show better agreement with experiment. In principle HRGMs are internally consistent up to a temperature higher than the cross over temperature in QCD; but by examining quark number susceptibilities we find that their region of applicability seems to end even below the QCD cross over.