Tesis sobre el tema "Production de quarkonia"

Physics
Ph.D.
The understanding of the nucleon is as of yet not complete. In particular, the contribution of the gluon content is not well understood. Utilizing the framework of Generalized Parton Distributions enables predictions to be made if some information on them is known. We investigated exclusive photo and electroproduction of heavy vector mesons (the quarkonia J/ψ and ϒ), which can give access to the currently poorly constrained gluon distribution Eg. For this reason, we implemented a model for it with several variants in order to represent a spread of plausible distributions. We used current experimental results for exclusive φ and ρ0 production to test our variants for Eg. For quarkonium production, the analytic calculation of the Leading Order production amplitudes was performed, verifying results published previously, in particular confirming that in the non-relativistic collinear approximation there is no access to the polarized or gluon helicity flip distributions, i.e. Hg and HgT. Numerical results for both the Leading Order and, in the case of photoproduction, also Next-to-Leading Order amplitudes were calculated, based on our Leading Order amplitudes and already existing Next-to-Leading Order expressions. The observables we looked at are the unpolarized cross section, spin density matrix elements, and two spin-asymmetries --- the transverse single-spin asymmetry An, and a newly discussed double-spin asymmetry ALS, which we identified as a very promising observable for measuring Eg. We find that in the case of J/ψ photoproduction higher order corrections seem not well under control, while for ϒ production the numerical results become much more stable.
Temple University--Theses

Cette thèse se concentre sur l'une des particules les plus étudiées dans les collisionneurs à haute énergie, le quarkonium, qui est un état lié d'une paire de quarks et d'antiquarks lourds.Le partie I commence par une revue des principales caractéristiques de la théorie de l'interaction forte, appelée QCD, et discute le cadre de travail de la QCD Non-Relativiste (NRQCD) pour le calcul des sections efficaces de production et de désintégration du quarkonium, en se restreignant à l'état de Fock principal de la paire quark-antiquark, comme dans le Modèle Couleur-Singlet (CSM). Nous présentons ensuite notre méthodologie pour le calcul des corrections d'ordre sous-dominant (NLO) dans le couplage fort de la production de quarkonium vectoriel. En particulier, nous décrivons les principales étapes pour le calcul des corrections virtuelles et réelles. Pour effectuer ces calculs, nous avons développé un algorithme basé sur la soustraction en terme de dipole dits de Catani-Seymour et une implémentation numériquement efficace de la section efficace NLO avec le formalisme de la fonction d'échelle.Le partie II présente une sélection de nos résultats concernant la production de quarkonium dans diverses installations expérimentales telles que le LHC, l'HERA, le CEPC, le FCC, l'EIC et le CLIC. Nous avons étudié la production des états vectoriels du quarkonium J/psi et Upsilon dans la limite de la photoproduction des collisions lepton-hadron, où un photon quasi réel brise un proton pour produire le quarkonium avec au moins un parton dur en recul. En particulier, nous montrons que le CSM peut décrire les données H1 de HERA2. Pour cette étude, nous avons inclus une contribution induite par la QED via un photon virtuel. Celle-ci était considérée comme négligeable dans la littérature, mais devient la principale contribution pour les valeurs de l'impulsion transverse les plus grandes atteignables à l'EIC. Une autre contribution nouvelle que nous avons considérée est une production associée de J/psi et d'un autre quark charmé avec le schéma du nombre de saveurs variable. Ce processus peut être observé au futur EIC et peut être utilisé pour sonder le contenu non perturbatif du charme du proton à grande fraction d'impulsion. En outre, pour les processus de photoproduction dans les collisions lepton-hadron, nous avons étudié l'origine d'un comportement non physique des sections efficaces, qui s'est avéré être lié à une sur-soustraction des divergences colinéaires dans les fonctions de distribution des partons (PDF). La méthode de fixation d'échelle que nous avons utilisée résout ce problème au NLO dans le couplage fort, de sorte que nous avons pu fournir une analyse qualitative de la possibilité de contraindre les PDF en utilisant les futures données de photoproduction de J/psi et d'Upsilon (1S). Les sections efficaces présentées devraient être mesurables à des énergies élevées avec une très bonne précision au futur EIC et dans d'autres installations futures telles que le LHeC ou le FCC-eh. Les mesures à plus basse énergie effectuées à AMBER-COMPASS++ et à l'EICC peuvent être utiles pour sonder la région de valence.Le partie II comprend également une revue de notre étude, qui revisite le calcul NLO pour la production inclusive de J/psi via deux photons directs et un photon direct et un photon dit résolu dans la fusion de photons dans des collisions d'électron-positon. Elle inclut toutes les contributions significatives via des photons directs : la production via des photons directs d'un J/psi et d'un photon, la production associée de J/psi et d'une paire quark-antiquark charmées, et la production de J/psi et de trois gluons. Nous avons également pris en compte les contributions d'un photon direct et d'un photon dit résolu jusqu'au NLO en la constante de couplage. Nous avons fourni des prédictions phénoménologiques pour la cinématique des expériences DELPHI, CEPC, FCC-ee et CLIC, où toutes ces contributions CS ont été rassemblées pour la première fois
The thesis focuses on one of the most studied particles at high-energy colliders, the quarkonium, which is a bound state of a heavy quark-antiquark pair. Part I starts with a review of the main features of QCD, the theory of the strong interaction and discusses the Non-Relativistic QCD (NRQCD) framework for the calculation of the quarkonium-production cross sections and decay widths, restricted to the leading Fock state of the quark-antiquark pair, as in the Colour-Singlet Model (CSM). We then present our methodology for the computation of the next-to-leading order (NLO) corrections in the strong coupling to vector quarkonium production. In particular, the main steps of the calculation methodology of virtual and real corrections are described. To perform such calculations, we have developed an algorithm based on the Catani-Seymour dipole subtraction and a numerically efficient implementation of the NLO cross section with the scaling-function formalism. Part II presents a selection of our results for quarkonium production at various experimental facilities such as the LHC, HERA, the CEPC, the FCC, the EIC and the CLIC. We have studied the production of the vector quarkonium states J/psi and Upsilon in the photoproduction limit of lepton-hadron collisions, where a quasi on-shell photon breaks a proton to produce the quarkonium with at least one recoiling hard parton. In particular, we show that the CSM can describe the HERA2 H1 data. For this study we have included a QED-induced contribution via an off-shell photon which was thought to be negligible but which becomes the leading contribution at the largest transverse momenta accessible with the EIC. Another novel contribution we have considered is a J/psi and another charm quark associated production with the variable-flavour-number scheme. This process can be observed at the future EIC and can be used to probe the non-perturbative charm content of the proton at high momentum fractions. Furthermore, we have studied the origin of an unphysical behaviour of the photoproduction cross sections, which has been found to be related to an over-subtraction of collinear divergences in the parton distribution functions (PDFs). The scale-fixing method we have used solves this problem at NLO in the strong coupling, so we could provide a qualitative analysis of the possibility of constraining the PDFs using future J/psi and Upsilon (1S) photoproduction data. The cross sections we obtained show that the corresponding yields are expected to be measured at high energies with very good accuracy at the future EIC and other future facilities such as the LHeC or the FCC-eh. In addition, we have shown that the lower energy measurements at AMBER-COMPASS++ and the EicC can be useful to probe the valence region. The second part also includes a review of our study which revisits the inclusive NLO calculation for the J/psi production via direct photon and single-resolved photon in photon fusion in electron-positron collisions. Our study includes all significant direct-photon contributions: the direct-photon production of J/psi and a photon, the associated production of J/psi and a charm quark-antiquark pair, and the production of J/psi along with three gluons. We have also considered the single-resolved-photon contributions up to NLO in the coupling constant. We have provided phenomenological predictions for the kinematics of the DELPHI, the future CEPC, the FCC-ee and the CLIC experiments, where all these CS contributions have been brought together for the first time

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d’énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd’ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl’expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d’un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield’interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d’appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d’aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l’interaction forte, aux énergies très élevées du LHC
Quarkonia are meson states whose constituents are a charm or bottom quark and its correspondingantiquark (Q¯Q). The study of the production of such bound states in high-energy hadron collisionsrepresents an important test for the Quantum Chromo-Dynamics. Despite the fact that the quarkoniumsaga has already a 40-year history, the quarkonium production mechanism is still an open issue.Therefore, measurements at the new CERN Large Hadron Collider (LHC) energy regimes are extremelyinteresting.In this thesis, the study of inclusive J/ψ production in proton-proton (pp) collisions at √s = 2.76and 7 TeV, obtained with the ALICE experiment, is presented. J/ψ mesons are measured at forwardrapidity (2.5 < y < 4), down to zero pT, via their decay into muon pairs (μ+μ−).Quarkonium resonances also play an important role in probing the properties of the stronglyinteracting hadronic matter created, at high energy densities, in heavy-ion collisions. Under suchextreme conditions, the created system, according to QCD, undergoes a phase transition from ordinaryhadronic matter to a new state of deconfined quarks and gluons, called Quark Gluon Plasma(QGP). The ALICE experiment at CERN LHC has been specifically designed to study this state ofmatter. Quarkonia, among other probes, represents one of the most promising tools to prove the QGPformation. In order to correctly interpret the measurements of quarkonium production in heavy-ioncollisions, a solid baseline is provided by the analogous results obtained in pp collisions.Hence, the work discussed in this thesis, concerning the inclusive J/ψ production in pp collisions,also provides the necessary reference for the corresponding measurements performed in Pb-Pb collisionswhich were collected, by the ALICE experiment, at the very same center-of-mass energy pernucleon pair (√sNN = 2.76 TeV)

La production des états charmonia (par exemple le J/ψ et le ψ(2S)) est l’une des sondes étudiées pour comprendre les propriétés du Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) formé dans les collisions d’ions lourds à très haute énergie. En effet, la présence d’un milieu déconfiné est susceptible de modifier le taux de production des charmonia par effet d’écrantage de couleur de la paire de quarks charme-anti-charme. Une telle suppression fut déjà observée dans les collisions d’ions lourds aux énergies du SPS et du RHIC. Dans les collisions Pb-Pb à √sNN = 2.76 TeV au LHC, une suppression relative du taux de production du J/ψ par rapport à celui mesuré dans les collisions pp normalisé aux nombres de collisions binaires proton-proton (facteur de modification nucléaire RAA) fut aussi mesurée. Cette suppression est cependant moins importante que ce qui fut observé à plus petites énergies dans le centre de masse. Ceci peut s’expliquer par la présence d’un nouveau mécanisme de production, la recombinaison de quarks charme et anticharme déconfinés au moment de l’expansion hydrodynamique du PQG ou durant la phase d’hadronisation. Dans cette thèse, nous présentons les résultats de la production de J/ψ dans les collisions pp et Pb-Pb, mesurée par le détecteur ALICE à √sNN = 5.02 TeV à rapidité avant dans le canal de décroissance dimuonique. La section efficace de production mesurée dans les collisions pp est comparée à différents modèles théoriques et est utilisée pour calculer le RAA en collisions Pb-Pb, lui-même comparé à différentes prédictions théoriques ainsi qu’aux précédentes mesures
The production of charmonium states (for instance J/ψ and ψ(2S)) is one of the probes studied to investigate the properties of the Quark-Gluon Plasma (QGP) formed in high-energy heavy-ion collisions. Indeed, the presence of a deconfined medium should modify the charmonium production yield, due to the color screening of the charm quark anti-quark potential. Such a suppression was already observed in heavy-ion collisions at SPS and RHIC energies. In Pb-Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV at the LHC, a clear suppression of the J/ψ yield with respect to the one measured in binary-scaled pp collisions (nuclear modification factor RAA) was observed, but much smaller than that at lower collision energies. This observation can be explained by the presence of a new production mechanism, the (re)combination of deconfined charm and anti-charm quarks during the hydrodynamical expansion of the QGP or at the hadronization stage. In this thesis, we report on the results of the J/ψ production in pp and Pb-Pb collisions measured with the ALICE detector √sNN = 5.02 TeV at forward rapidity in the dimuon channel. The cross-section in pp collisions is compared to various model calculations, and is used to compute the RAA in Pb-Pb collisions, which is also compared to theoretical predictions as well as to previous measurements

Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un état de la matière nucléaire apparaissant à hautedensité d'énergie. En laboratoire, il est possible de reproduire de telles conditions grâce aux collisionsd'ions lourds aux énergies ultra-relativistes. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) estl'expérience du LHC dédiée à la mise en évidence du QGP.Différentes signatures ont été proposées et étudiées expérimentalement comme manifestations duQGP. Parmi celles-ci, le méson J/ψ joue un rôle central. Il fait partie de la famille des quarkonia,états mésoniques (Q¯Q) formées d'un quark lourd c ou b et de son anti-quark, liés par un potentield'interaction forte. En 1986, Matsui et Satz proposèrent la suppression des charmonia (états liés cc)et notamment du J/ψ comme signature de la formation du plasma de quarks et de gluons.ALICE peut détecter le J/ψ à grande rapidité (2.5 < y < 4) via le canal de désintégration en deuxmuons. Cette thèse porte sur la mesure de la production du J/ψ, via le canal muonique, dans lescollisions pp à une énergie dans le centre de masse de 2.76 et 7 TeV. Elle a exploité les donnéesacquises en 2010 et 2011 auprès du collisionneur LHC.Tenter d'appréhender le mécanisme de production du J/ψ (et plus généralement du quarkonium)dans les collisions pp est un préalable nécessaire avant d'aborder le degré de complexité suivantque constitue le cas des collisions noyau-noyau. Il est également un test important pour la QuantumChromo Dynamics (QCD), la théorie de l'interaction forte, aux énergies très élevées du LHC.

Avec le Large Hadron Collider (LHC) et les expériences à haute énergie à venir avec le Electron-Ion Collider (EIC), nous pouvons explorer la structure élémentaire des protons. Autrefois, on pensait que les protons étaient composés de trois quarks de valence (deux quarks up et un quark down), mais nous savons désormais qu'ils contiennent également des paires éphémères de quark-antiquark de tous les six types de quarks ainsi que des gluons, les médiateurs de la force nucléaire forte, décrits par la chromodynamique quantique (QCD). Pour sonder la structure interne d'un nucléon, les fonctions de distribution des partons (PDFs) quantifient la manière dont le moment est distribué parmi les partons (quarks et gluons) longitudinalement dans une réaction, tandis transverse-momentum-dependent PDFs (TMDs) ajoutent des informations sur le moment transverse. Bien que les TMDs de quarks soient de mieux en mieux comprises, nos connaissances sur les TMDs de gluons sont encore très limitées. Cette étude se concentre sur l'extraction des TMDs de gluons à travers la production de quarkonium, en particulier des mésons J/psi, au LHC et à l'EIC, puisque le quarkonium, un méson formé par une paire quark-antiquark lourde de même saveur, provient principalement des gluons partoniques. Pour étudier de tels processus, il est essentiel qu'ils puissent être factorisés. Cela signifie que la section efficace, représentant la probabilité du processus, est une convolution d'un terme QCD perturbatif, qui peut être calculé théoriquement, et de termes non perturbatifs comme les TMDs et les éléments de matrice à longue distance (LDMEs) qui décrivent la formation du quarkonium, et qui doivent être extraits par expérimentation. Pour la production de J/psi dans les collisions électron-proton, la neutralité de couleur nécessite l'émission de gluons à faible énergie. Cela introduit la fonction de forme, cruciale pour réconcilier les cadres TMD et collinéaire (en termes de PDF) dans leur régime de recouvrement. Les calculs montrent que la fonction de forme est universelle, accompagnée d'un facteur dépendant du processus, et qu'elle devrait également jouer un rôle dans la production directe de quarkonium neutre en couleur à des ordres supérieurs. Les prédictions d'une asymétrie azimutale, liée au rapport entre les TMDs des gluons polarisés linéairement et non polarisés, suggèrent des effets mesurables à l'EIC pour sonder ces TMDs et ces fonctions de forme.De plus, un nouveau facteur non perturbatif de Sudakov a été développé pour le formalisme de l'évolution des TMD, améliorant les modèles gaussiens en extrapolant le comportement perturbatif connu dans le régime non perturbatif. Bien que novateur, ce facteur reste à déterminer expérimentalement. L'utilisation de ce nouveau facteur de Sudakov a permis d'obtenir un accord avec les données récentes de sections efficaces normalisées pour la production de paires de J/psi au LHCb. Cependant, les incertitudes liées à la variation des échelles nécessitent des corrections à des ordres supérieurs. Les études futures au LHC, telles que la production de paires d'Upsilon et la production de paires de J/psi avec un proton stationnaire, pourraient révéler davantage d'informations sur les TMDs de gluons à des énergies et fractions de moment plus élevées. Pour l'EIC, des progrès ont été réalisés vers un spectre complet pour la production de J/psi, en se concentrant sur les contributions indépendantes de l'angle. Bien que les sections efficaces TMD et collinéaires suivent des lois de puissance significativement différentes dans le régime cinématique à explorer par l'EIC, nous ne trouvons aucun problème de correspondance, car les sections efficaces TMD se trouvent au-dessus des sections collinéaires dans la région où la correspondance est censée se produire
With the Large Hadron Collider (LHC) and the upcoming Electron-Ion Collider (EIC) high-energy experiments we can investigate the elementary structure of protons. In the past, protons were thought to comprise three valence quarks (two up, one down), but now we know they also contain short-lived quark-antiquark pairs of all six quark types and gluons, the mediators of the strong nuclear force, described by quantum chromodynamics (QCD). To probe the internal structure of a nucleon, parton distribution functions (PDFs) quantify how momentum is distributed among partons (quarks and gluons) longitudinally in a reaction, while transverse-momentum-dependent PDFs (TMDs) add transverse momentum information. While quark TMDs are getting better understood, our knowledge of gluon TMDs is still very limited. This study focuses on extracting gluon TMDs through quarkonium production, particularly J/psi mesons, at the LHC and EIC, since quarkonium, a meson formed by a heavy quark-antiquark pair of the same heavy flavour, mainly originates from partonic gluons. To study such processes, it is essential that they can be factorised. This means that the cross section, representing process likelihood, is a convolution of a perturbative QCD term, that can be theoretically calculated, and nonperturbative terms like the TMDs and the long-distance matrix elements (LDMEs) which describe the formation of the quarkonium, that need to be extracted from an experiment. For J/psi production in electron-proton collisions, colour neutrality requires low-energy gluon emission. This introduces the shape function, crucial for reconciling TMD and collinear frameworks (in terms of PDFs) in their overlapping regime. Calculations show the shape function is universal, while accompanied by a process-dependent factor, and it is expected to play a role in direct colour-neutral quarkonium production at higher orders as well. Predictions of an azimuthal asymmetry, linked to the ratio of linearly polarised to unpolarised gluon TMDs, suggest measurable effects at the EIC to probe these TMDs and shape functions. Additionally, a novel nonperturbative Sudakov factor was developed for the TMD evolution formalism, improving upon Gaussian models by extrapolating known perturbative behaviour into the nonperturbative regime. While innovative, this factor remains to be determined by experiment. Employing this novel Sudakov factor agreement with recent normalised cross-section data for J/psi-pair production at the LHCb is found. However, scale variation uncertainties necessitate higher-order corrections. Future LHC studies, such as Upsilon-pair production and J/psi-pair production with one stationary proton, may reveal more about gluon TMDs at higher energies and momentum fractions. For the EIC, progress was made toward a complete spectrum for J/psi production, focusing on angle-independent contributions. Although the TMD and collinear cross sections follow significantly different power laws in the kinematic regime to be probed by the EIC, we find no matching issues, because the TMD cross sections lie above the collinear ones in the region where matching is expected to occur

Les collisions d'ions lourds relativistes permettent d'étudier la production du plasma de quarks et de gluons (QGP), état dans lequel serait la matière hadronique au-delà d'une température de l'ordre de 200~MeV. Le $J/\psi$, état lié~$c\bar{c}$, est une des sondes utilisées pour observer le QGP. Son taux de production peut être modifié par divers effets en compétition: les effets nucléaires froids et ceux attendus en cas de production du QGP. Une suppression anormale du $J/\psi$ (au-delà des effets froids) a déjà été vue par l'expérience NA50 (SPS) dans les collisions Pb~+~Pb les plus centrales. L'expérience PHENIX (RHIC) poursuit cette étude à une énergie environ dix fois plus élevée. Nous avons étudié la production du $J/\psi\to\mu^+\mu^-$ dans les collisions Cu~+~Cu effectuées en 2005 à une énergie de 200~GeV par paire de nucléons. Les résultats obtenus apportent des informations importantes sur les effets froids: ils permettent d'améliorer de manière significative la précision obtenue dans les collisions à petit nombre de nucléons participants, où le QGP ne peut être produit. Ils confirment la similitude des suppressions déjà observées au RHIC dans les collisions Au~+~Au et au SPS; ce constat restant à corroborer par des mesures plus précises des effets froids au RHIC. Les résultats combinés Au~+~Au et Cu~+~Cu mettent aujourd'hui en défaut la plupart des modèles théoriques, et pourraient favoriser l'hypothèse d'une production ! secondaire du $J/\psi$ dans le milieu (recombinaison).

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 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

Dans cette thèse, les études de la production de J/ψ dans l'experience LHCb est presentée, basée sur un échantillon d’événements Monte Carlo complétement simulés. La procedure développée dans cette thèse sera utilisée pour analyser les données réelles lorsque suffisamment de statistique sera accumulé. Les événements J/ψ sont reconstruits en utilisant des critères de sélection optimisés pour atteindre la meilleure discrimination contre les processus de bruit de fond. L’étude réalisée montre que 6. 5 millions de J/ψ peuvent être reconstruits par pb-1 de donnees. La section efficace de production des prompt J/ψ et des J/ψ de désintégrations de b est mesurée dans 28 bins en pT et η recouvrant la région 0 < pT < 7 GeV/c et 3 <η < 5. Dans chaque bin, une variable est définie pour distinguer les prompt J/ψ de ceux de désintégrations de b. L’analyse montre également que la polarisation du J/ψ joue un rôle important dans la détermination de la section efficace. Elle peut contribuer à une erreur systématique jusqu’à 30% dans certains bins. Un tel effet peut être grandement réduit si une analyse de la polarisation du J/ψ est effectuée simultanément. La mesure des paramètres de polarisation aidera aussi grandement pour la compréhension du méchanisme de production du J/ψ. L’expérience LHCb ayant déjà enregistré 14 nbֿ¹ de données, une partie de l’analyse peut être effectuée. Environ 3000 candidats J/ψ sont reconstruits. En se basant sur cet échantillon, la section efficace en fonction de pT est mesurée. La mesure préliminaire de la section efficace des J/ψ dans la région pT entre 0 et 9 GeV/c et y entre 2,5 et 4 est 7. 6±0. 3 µb seule l’erreur statistique est reportée
In this thesis, the study of the J/ψ production at the LHCb is presented, based on a sample of fully simulated Monte Carlo events. The procedure developped in this thesis will be use to analyze real data when enough statistics will be accumulated. J/ψ events are reconstructed using selection criteria optimized to reach the best discrimitaion against background processes. The stude done shows that 6. 5 million J/ψ can be reconstructed per pb-1 of data. The production cross section of prompt J/ψ and of J/ψ from b is measured in pT and η 28 bins covering the region 0 < pT < 7 GeV/c and 3 < η < 5. In each bin, a variable is defined to distinguish prompt J/ψ and b decays. The analysis show also that J/ polarization plays an important role in the cross section determination. It can contribute to a systematic error up to 30% in some of the bins. Such an effect can be greatly reduced if a J/ψ polarization analysis is done simultaneously. The measurement of the polarization parameters will also help to understand J/ψ production mechanisms. The LHCb experiment already recorded 14 nbֿ¹ of data, part of the analysis can already be done. Approximately 3000 J/ψ candidates are reconstructed. Using this sample, the cross section as a function of pT is measured. The preliminary measurement of the J/ψ cross section in the region pT between 0 and 9 GeV/c and y between 2. 5 and 4 is 7. 6±0. 3 µb where only the statistical error is reported

La factorisation dépendante de l’impulsion transverse est utilisée pour décrire les collisions hadroniques en incluant l’impulsion transverse intrinsèque des partons à l’intérieur des hadrons. Cela requiert l’usage de distributions dépendantes de l’impulsion transverse (Transverse Momentum-Dependent distributions en anglais ou TMDs). De telles distributions doivent être extraites de données expérimentales. Les TMDs de quarks sont relativement connues grâce à des processus pour lesquels de nombreuses données sont disponibles. Les TMDs de gluons restent peu connues car il n’existe pas de processus idéal pour les étudier dans les accélérateurs en fonctionnement. Le futur Electron-Ion Collider (EIC) permettra leur étude de façon beaucoup plus complète, mais sa mise en fonctionnement n’est pas prévue avant au moins 10 ans. De plus, il est important d’étudier les TMDs à l’aide de divers processus afin de tester leur universalité qui n’est pas aussi triviale que celle des distributions colinéaires.Nous proposons d’utiliser la production de paire de quarkonia pour étudier les deux TMDs de gluon accessibles dans les collisions de protons non polarisés au LHC. Les quarkonia sont des mésons, c’est-à-dire des états liés de paires quark-antiquark. Dans le cas d’un quarkonium, la paire est faite de quarks de la même saveur lourde : les charmonia combinent un charm et un anticharm, tandis que les bottomonia combinent un bottom et un antibottom. Les mésons J/psi sont des charmonia de spin 1 et sont produits en grandes quantités au LHC. Les paires de J/psi sont en grande majorité produites via des fusions de gluons, ce qui est important pour l’étude spécifique des TMDs de gluons. L’étude d’états finaux à deux particules permet également de sélectionner diverses valeurs de l’échelle dure du processus, qui dans ce cas est de l'ordre de la masse de la paire, ce qui permet de plus d’étudier l’évolution des TMDs.Nous utilisons d’abord un modèle simple de TMDs gaussiennes pour calculer des observables de la production de paires de J/psi qui sont sensibles au TMDs. Ces observables sont le spectre de l’impulsion transverse de la paire, principalement sensible à la TMD de gluon non polarisés, et les asymétries azimutales, dont l’existence requiert la TMD de gluons linéairement polarisés. Nous utilisons également les données LHCb sur la production de paires de J/psi pour extraire l’impulsion transverse moyenne des gluons dans notre modèle gaussien. L’importante valeur obtenue est interprétée comme une conséquence de l’évolution des TMDs qui augmente l’impulsion transverse intrinsèque du gluon via des contributions perturbatives présentes aux grandes échelles dures.Nous améliorons par la suite nos prédictions en incluant l’évolution des TMDs dans le formalisme utilisé pour décrire les TMDs de gluons dans nos calculs. Dans ce modèle, la distribution des gluons non polarisés est une contribution dominante , tandis que la distribution de gluons linéairement polarisés est sous-dominante. La composante non-perturbative restante est modélisée à l’aide d’une gaussienne. Nous observons que la magnitude des asymétries calculées pour la production de paires de J/psi est plus petite que celle calculée à l’aide du modèle purement gaussien. Cependant, nous observons également que ces asymétries restent de taille raisonnable et pourraient être détectées au LHC. Nous fournissons également des prédictions pour la production de paires de Upsilon (le Upsilon est l’équivalent bottomonium du J/psi).Enfin, nous étudions la structure en termes d’hélicité de l’amplitude de production de paires de quarkonia. En effet, elle peut être décomposée en une somme de sous-amplitudes correspondant à divers états d’hélicités des gluons incidents et des quarkonia produits. Dans la limite de grande masse de la paire, ces amplitudes se simplifient grandement et expliquent comment la production de paires de J/psi optimise l’amplitude d’une asymétrie
Transverse momentum-dependent factorisation is used to describe hadronic collisions while taking into account the intrinsic transverse momentum of partons inside hadrons. This requires the use of Transverse Momentum-Dependent Parton Distribution Functions (TMDPDFs or simply TMDs) in order to parametrise the parton correlator. Such distributions need to be extracted from experimental data. Quark TMDs are relatively well known thanks to processes such as semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan for which numerous data exist. Gluon TMDs remain poorly known, since there is no ideal process to probe them in the operating colliders. The future Electron-Ion Collider (EIC) will offer a much better access to them, but its first run remains at least 10 years from now. It is also important to study TMDs in various kinds of processes in order to check their universality which is not as trivial as that of collinear PDFs.We propose to use quarkonium-pair production to study the two leading-twist gluon TMDs accessible through unpolarised proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). Quarkonia are mesons, i.e. bound states of a quark-antiquark pair. In the case of a quarkonium, the pair is made of heavy flavours: charmonia combine a charm with an anticharm, while bottomonia combine a bottom with an antibottom. J/psi mesons are the lowest lying vector state of charmonia and are produced in large amounts at the LHC. J/psi pairs originate from gluon fusion in vast majority, which is important in order to focus on gluon TMDs. Studying two-particle final states also allows one to tune the hard scale of the process commensurate to the pair mass, which in turn allows one to study TMD evolution.We first use a model of Gaussian-based TMDs to compute observables in J/psi-pair production that are sensitive to the TMDs. These observables are the transverse-momentum spectrum of the pair, mostly sensitive to the unpolarised gluon TMD, and azimuthal asymmetries, whose existence requires the linearly-polarised gluon TMD. We see that J/psi pair production is an ideal process to probe the linearly-polarised gluon distribution through one azimuthal asymmetry that is maximal at large hard scales. We also use the LHCb data on the J/psi pair transverse momentum to fit the average gluon transverse momentum using our Gaussian-based model. The large value that is obtained is interpreted as a consequence of TMD evolution that perturbatively enhances the intrinsic transverse momentum of the gluon at such large hard scales.We then improve our predictions by including TMD evolution in the formalism used to describe the gluon TMDs in our calculations. In this picture, the unpolarised gluon distribution is a leading contribution in an expansion of the strong coupling, while the linearly-polarised distribution is subleading. The remaining nonperturbative component is modelled using a Gaussian. We observe that the computed magnitude of the azimuthal asymmetries in J/psi-pair production are lower than when using the purely Gaussian model. However, we observe that these asymmetries remain sizeable and could be detected at the LHC. We also provide predictions for Upsilon-pair production (the Upsilon is the bottomonium equivalent of the J/psi).We finally study the helicity structure of the quarkonium-pair production amplitude. It can be written as a sum of sub-amplitudes corresponding to various helicity states of the initial-state gluons and final-state quarkonia. In the high-mass limit of the pair, the amplitudes greatly simplify and explain how the hard-scattering coefficients of J/psi-pair production maximise the size of one azimuthal asymmetry, as previously observed. Moreover, it is shown that the amplitude zero for longitudinally polarised pairs predicted at leading order in the collinear regime exists as well in TMD factorisation. It should survive for intermediate masses as hard gluon emissions are suppressed in the TMD regime

Ce document presente des résultats relatifs à la préparation du programme de physique de l'expérience LHCb: développement d'un logiciel de génération, commissioning du trigger calorimètre et mesure de la production des J/psi. Une simulation détaillée est obligatoire pour développer les outils d'analyse nécessaires pour réaliser ce programme et un logiciel de génération détaillé a été implémenté. Celui-ci décrit par exemple le mélange des B et la violation de CP dans les désintégrations des B pour l'environnement hadronique de LHCb. Pour les désintégrations hadroniques, le système de déclenchement de l'expérience est basé sur les calorimètres, en particulier le calorimètre hadronique. La grande section efficace de production au LHC permet de faire, avec les premières données enregistrées par l'expérience, une mesure de la section efficace différentielle des J/psi, et de la comparer avec des modèles thèoriques pour tester QCD dans le secteur des quarks lourds.

La matière nucléaire, constituant le noyau des atomes, est formée de quarks et de gluons, dont l’interaction est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Dans des conditions normales, quarks et gluons ne peuvent être observés de façon isolée et sont confinés dans des hadrons tels que les protons et les neutrons. Le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) est un état de la matière nucléaire prédit par la QCD pour lequel ces quarks et gluons sont déconfinés. Expérimentalement, le PQG peut être créé dans des collisions d’ions lourds ultra-relativistes, telles que les collisions d’ions lourds effectuées au LHC, correspondant à des vitesses proche de celle de la lumière. Il est possible d’obtenir des informations sur le PQG en mesurant un large nombre d’observables. En particulier, la production de charmonium tels que le J/ψ et le ψ(2S), particules lourdes constituées d’une paire de quarks charme et anti-charme () est mesurée pour étudier le plasma. En effet, la présence d’un PQG est censée modifier les taux de production des charmonia, à cause d’un équilibre entre un mécanisme d’écrantage de couleur du potentiel des quarks charme et un mécanisme dit de recombinaison. La position de cet équilibre dépend de l’énergie de collision, la température du plasma, et la nature de la particule considérée, et plus spécifiquement, il est attendu que le ψ(2S) soit plus supprimé que le J/ψ. Dans cette thèse, la production inclusive de ψ(2S) en collisions Pb − Pb à une énergie par collision nucléon-nucléon dans le référentiel du centre de masse de TeV est mesurée dans le canal de décroissance de dimuon avec le Spectromètre à Muons d’ALICE. L’analyse est basée sur les données collectées dans ALICE (A Large Ion Coliider Experiment) au LHC en 2015 correspondant à une luminosité intégrée de 225 μb−1. Le facteur de modification nucléaire RAA est étudié en fonction de la centralité des collisions, correspondant à la distance transverse entre les centre des noyaux de plomb. Le rapport des RAA du ψ(2S) et du J/ψ est également mesuré et montre que le ψ(2S) est plus supprimé que le J/ψ pour des collisions mi-centrales et centrales. Comparées aux prédictions théoriques, les mesures sont compatibles avec les modèles dans la limite des incertitudes. L’amélioration du Muon Trigger, le MID, est également étudié, en particulier le débit de données attendu pour des fréquences de collision de 100 kHz. Basée sur les données en collisions Pb − Pb à une énergie de TeV, les estimations prédisent que la technologie qui sera implémentée sur le MID possède une bande passante suffisante
The nuclear matter, which constitues the atomic nuclei, is composed of quarks and gluons and interactions between them are described by quantum chromo-dynamics (QCD). Under ordinary conditions, quarks and gluons cannot be observed isolated and are confined inside hadrons such as protons and neutrons. The Quark-Gluon Plasma (QGP) is a state of nuclear matter predicted by QCD where quarks and gluons are deconfined. Experimentally, a QGP can be created in ultra-relativistic heavy ion collisions such as the lead-lead collisions delivered at the LHC, corresponding to speeds close to the speed of light. It is possible to obtain information on the characteris- tics of the QGP by measuring a large number of observables. In particular, the production of charmonium states such as the J/ψ and the ψ(2S), heavy particles composed of a charm and anti-charm pair (), is studied to investigate the plasma. Indeed, the presence of QGP is expected to modify the charmonium production yields, due to a balance between the mechanism of color screening of the charm quark potential and a mechanism called recombination. This balance depends on the collision energy, the temperature of the plasma and nature on the considered particle, in particular one expects the ψ(2S) to be more suppressed than the J/ψ. In this thesis the inclusive production of ψ(2S) in Pb − Pb collisions at an energy per nucleon-nucleon collision in the center of mass frame of TeV is measured in the dimuon-decay channel, using the ALICE Muon Spectrometer. The analysis is based on the data collected in ALICE (A Large Ion Collider Experiment) at the LHC in 2015 with an integrated luminosity of 225 μb−1. The nuclear modification factor RAA is studied as a function of centrality. The ratio of the ψ(2S) and J/ψ RAA is also evaluated and shows that the ψ(2S) is more suppressed than the J/ψ for mid-central and central events. Compared with theoretical predictions, the measurements are, within uncertainty, in agreement with theoretical model. The upgrade of the Muon Trigger, the MID (Muon Identifier), is also studied, in particular the expected data flow at a collisions rate of 100 kHz. Based on the Pb − Pb data at a collision energy of TeV, the estimations predict that the technology that will be implemented in the MID provides a sufficient bandwidth to sustain the data flow

Le LHC (Large Hadron Collider) situé au CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) à Genève est le plus grand accélérateur pour la physique des particules. Les collisions proton-proton à des energies dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 14 TeV qui seront produites au LHC vont offrir la possibilité de s'intéresser aux questions les plus fondamentales en Physique. L'expérience LHCb est l'une des quatre expériences principales au LHC. Dédiée aux études de physique du b, le but principal de l'expérience LHCb est d'explorer d'éventuels modèles de Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard à travers l'étude des désintégrations rares des hadrons charmés ou beaux, et à travers des mesures de précision des observables de la violation de CP. Même lors de sa phase de fonctionnement initial, un nombre important de J/ψ va être collecté par le détecteur LHCb et va nous permettre de réaliser des études très intéressantes sur la production du charmonium. Ces mesures pourront apporter un éclairage nouveau pour la compréhension des mécanismes de production des quarkonia dans les collisions de hadrons. Dans cette thèse, les études de la production de J/ψ à LHCb est presentée, basée sur un échantillon d'événements Monte Carlo complétement simulés. La procédure dévelopée dans cette thèse sera utilisée pour analyser les données réelles lorsque suffisamment de statistique sera accumule. L'analyse a été effectuée en utilisant des événements Monte Carlo générés à une énergie dans le centre de masse égale à 14 TeV, et à une luminosité de 2 × 10^32 cm^−2 s^−1 . La taille du lot de données simulées correspond à une luminosité intégrée de 0.79 pb^−1 . Les événements J/ψ sont reconstruits en utilisant des critères de sélection optimisés pour atteindre la meilleure discrimination contre les processus de bruit de fond. L'étude réalisée montre que 6.5 ×10^6 J/ψ peuvent être reconstruits par pb^−1 de données avec une résolution en masse de 11 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B résolution en masse de 11 MeV/c et un rapport signal sur bruit S/B ∼ 18 dans une fenêtre de masse de ±3σ. La section efficace de production des J/ψ prompt et des J/ψ de désintégrations de b est mesurée dans 28 bins en pT et η recouvrant la région 0 < pT < 7 GeV/c et 3 < η < 5. Dans chaque bin, une variable est définie pour distinguer les J/ψ prompt de ceux de désintégrations de b. Pour 0.79 pb−1 de données, une précision de 10% peut être obtenue pour la ma jorité des bins. Les erreurs systématiques sont estimées à un niveau équivalent. L'analyse montre également que la polarisation du J/ψ joue un rôle important dans la détermination de la section efficace. Elle peut contribuer à une erreur systématique jusqu'à 30% dans certains bins. Un tel effet peut être grandement réduit si une analyse de la polarisation du J/ψ est effectuée simultanément. La mesure des paramètres de polarisation aidera aussi grandement pour la compréhension du méchanisme de production du J/ψ. Dans le but de réduire la quantité de données simulées nécessaire pour les estimations d'efficacité, une méthode est dévelopée pour prendre en compte les efficacités 2-D par trois paramètres, et toutes les erreurs à part les erreurs statistiques ne dépendront que de ces trois paramètres. A partir des trois paramètres estimés avec les mêmes données Monte Carlo, les erreurs sur les paramètres de polarisation pour la ma jorité des bins sont d'environ 0.1 pour les J/ψ prompt et d'environ 0.2 pour les J/ψ de désintégrations de b. L'expérience LHCb ayant déjà enregistré 14 nb^−1 de données, une partie de l'analyse peut être effectuée. Environ 3000 candidats J/ψ sont reconstruits avec une résolution en masse de 16 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B ~ 18 dans une fenêtre en masse de ±3σ. En se basant sur cet échantillon, la section efficace en fonction de pT est mesurée. La mesure préliminaire de la section efficace des J/ψ dans la région pT ∈ [0, 9] GeV/c et y [2.5, 4] est 7.6 ± 0.3 µb où seule l'erreur statistique est donnée.

ALICE est dédié à l'étude d'un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons ne sont plus confinés dans les hadrons, qui est appelé Quark Gluon Plasma (QGP). La production de bottomonia (états liés beauté antibeauté) est sensible au QGP parce-que les états du bottomonium sont formés avant la formation du QGP et traversent le plasma pendant son évolution. L'objectif principal de cette thèse est la mesure des modification des mésons Upsilon dans le canal de désintégration en deux muons en collisions Pb-Pb à √SNN = 5.02 TeV. En outre, un nouveau framework pour l'analyse des performances des détecteurs utilisés pour l'identification des muons a été réalisé et utilisé pour l'analyse des données du RUN1 et RUN2 du LHC. Enfin, et avec l’objectif d’optimiser des résultats de l’analyse, un nouvel algorithme d’identification de muons a été développé. Cet algorithme deviendra nécessaire pour faire face aux nouvelles conditions de prise de données du RUN3, pendant lequel une reconstitution quasi-en ligne du détecteur est prévue
ALICE is devoted to the study of a deconfined state of nuclear matter called Quark Gluon Plasma (QGP), in which quarks and gluons behave as free particles. The bottomonium (bound states of beauty-anti beauty quark) production is affected by the presence of the QGP, since bottomonium states are produced sooner than the QGP and witness the whole evolution of the plasma. In this analysis the data coming from Pb-Pb collisions have been analysed in order to detect possible modifications of the production rates in the dimuon decay channel, with respect to the rates observed in proton-proton collisions. Furthermore, the performances of the detectors involved in the muon identification during the LHC RUN1 and RUN2 has been tested using a new analysis framework implemented as part of this thesis. Finally, in order to optimize the results of future analyses, a new muon identification algorithm has been developed and tested. This algorithm will become necessary in the LHC RUN3 running conditions, when the much higher luminosity will require a quasi online reconstruction of data

The prompt production of &chi
c quarkonia is studied in proton-proton collisions at 7 TeV, using data collected by CMS in 2011 corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb &minus
1. The &chi
c mesons are reconstructed through their radiative decays to J/&psi
and photon with J/&psi
&rarr
&mu
+&mu
&minus
. The photons are reconstructed through their conversion in electron-positron pairs in the tracking detector which gives a mass resolution sufficient for resolving these states. The ratio of the prompt production cross sections for the &chi
c1 and &chi
c2 states, &sigma
(&chi
c2)/&sigma
(&chi
c1), has been determined as a function of the J/&psi
transverse momentum between 7 and 25 GeV/c.

The main goal of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the study of the properties of the matter at very high temperatures and energy densities. Quantum chromodynamics (QCD) predicts in these conditions the existence of a new phase of the matter whose components are deconfined in a Quark-Gluon Plasma (QGP). Heavy quarks (charm e bottom) are produced in the first stages of the collisions, before to interact with the medium. Therefore, the measurement of the quarkonia (cc and bb mesons) is of particular interest for the study of the QGP: their dissociation mainly due to the colour screening is sensible to the initial temperature of the medium. Previous measurements at the SPS and RHIC allowed to understand some characteristics of the system produced, but they also opened many questions. With an energy 14 times higher than RHIC, the LHC (Large Hadron Collider) at CERN opened a new era for the study of the QGP properties. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is the LHC experiment fully dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma produced in Pb-Pb collisions at an energy of 2.76 TeV per nucleon. The experiment also participates to the proton-proton data taking in order to obtain the fundamental reference for the study of ion-ion and proton-ion collisions and for testing the predictions at very small Bjorken-x values of the perturbative QCD. Quarkonia, D and B mesons and light vector mesons are measured at forward rapidity by a Muon Spectrometer exploiting their (di)muonic decay. This detector is composed of a front absorber, a dipole magnet, five stations of tracking (Muon Tracking) and two stations of trigger (Muon Trigger). The work presented in this thesis has been carried out from 2011 to 2013 during the first period of data taking of ALICE. After a detailed introduction of the heavy-ion physics and a description of the experimental setup, the performance of the Muon Trigger in Pb-Pb collisions are shown. A particular attention is devoted to the stability of the detector during the time and to the trigger effectiveness. Moreover, the cluster size, corresponding to the number of adjacent strips hit by a particle, is studied as a function of different variables. The experimental results will be compared to simulations in order to obtain a good parametrization of this phenomenon. Finally, the Ç production in Pb-Pb collisions is carefully analysed and compared to that in pp collisions at the same energy. The results are then compared to the J/ψ measurements obtained by ALICE, to the CMS results and to some theoretical predictions.

La théorie de la chromodynamique quantique prédit l'existence d'un état déconfiné de la matière appelé Plasma de Quarks et de Gluons (PQG). Expérimentalement, la formation d'un PQG est attendue sous les conditions extrêmes de température et de densité atteintes lors de collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Afin d'observer et de caractériser de manière indirecte un tel état de la matière, de nombreuses observables ont été proposées. En particulier, les phénomènes de suppression et de(re)combinaison du meson J/Ψ dans le PQG sont intensément étudiés. Cette thèse présente l'analyse de la production inclusive de J/Ψ dans les collisions Pb-Pb, à une énergie dans le centre de masse √sNN = 2,76 TeV, détectés avec le spectromètre à muons de l'expérience ALICE au LHC. A partir de la statistique élevée d'événements collectés lors de la prise de données de 2011, le facteur de modification nucléaire du J/Ψ a été mesuré en fonction de son impulsion transverse, de sa rapidité et de la centralité de la collision. L'impulsion transverse moyenne du J/Ψ a également été mesurée en fonction de la centralité. Les prédictions des modèles théoriques, incluant tous une contribution de (re)combinaison, présentent un bon accord avec les données. Enfin, un excès de J/Ψ de très faible impulsion transverse (<300 MeV/c) par rapport à la production hadronique attendue a été observé pour la première fois.

L’étude des mécanismes de production des quarkonia (J/ψ or Υ) dans les collisions proton-proton (pp) est intéressante car elle nécessite de prendre en compte les aspects perturbatifs et non perturbatifs de la ChromoDynamique Quantique (QCD). La production de quarkonia en fonction de la multiplicité des particules chargées a été mesurée pour la première fois dans les collisions pp avec le détecteur ALICE au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces mesures présentent une corrélation non triviale qui peut conduire à une meilleure compréhension du mécanisme d’interaction partonique multiple dans l’état initial de la collision ainsi que des effets collectifs possibles dans les petits systèmes. L’étude du dernier échantillon de données enregistré au LHC en collisions pp aux énergies les plus élevées jamais atteintes en laboratoire (√s=13 TeV) permettra d’étudier des événements à forte multiplicité. Avec ALICE, les quarkonia sont mesurés jusqu’à des impulsions transverses nulles. Les charmonia (J/ψ, cc̄ ) sont détectés par leur désintégration en diélectrons à mi-rapidité (|y|< 0.9) et en dimuons en rapidité vers l’avant (2.5 < y < 4). Les bottomonia (Υ, bb̄) sont détectées par leur décroissance en dimuons en rapidité vers l’avant. La multiplicité des particules chargées est mesurée à l’aide de segments de traces avec le détecteur de silicium à pixels pour |η|< 1. Dans cette thèse, nous présenterons les premières mesures réalisées avec ALICE des productions relatives d’Υ(1S) et Υ(2S) en fonction de la multiplicité des collisions pp à √s =13 TeV. Nous discuterons du rapport relatif des Υ(2S) par rapport aux Υ(1S) en fonction de la multiplicité des particules chargées. La comparaison entre les J/ψ et les Υ(1S) mesurés en rapidité avant en fonction de la multiplicité sera également examinée. Ces études permettront d’examiner la dépendance possible de la corrélation mesurée avec les différentes masses des quarkonia considérés et les différents types de contenus en quark. La dépendance du domaine en rapidité et de l’énergie de la collision sera également considérée
The study of quarkonium (J/ψ or Υ) in proton-proton (pp) collisions is interesting as both perturbative and non perturbative aspects of Quantum ChromoDynamics (QCD) are involved in the production mechanism. The quarkonium production as a function of charged-particle multiplicity has been measured in a pp collisions with ALICE detector at the Large Hadron Collider (LHC). They exhibit a non-trivial correlation that can lead to a better understanding of the multi-parton interaction mechanism in the initial state of the collision as well as possible collective effects in small systems. Thestudy of latest data sample recorded at the LHC in pp collisions at the highest collision energies everreached in the laboratory (√s = 13 TeV) will allow to investigate high multiplicity events. In ALICE,quarkonia are measured down to zero transverse momentum. Charmonia (J/ψ, cc̄) are detected viatheir decay into di-electrons at mid-rapidity (|y|< 0.9) and dimuons at forward rapidity (2.5 < y < 4).Bottomonia (Υ, bb̄) are detected via their decay into dimuons at forward rapidity. Charged-particlemultiplicity is measured using track segments in the silicon pixel detector in |η|< 1. In this thesis, we will present the first ALICE measurements of relative Υ(1S) and Υ(2S) productions as a function of multiplicity in pp collisions at √s =13 TeV. We will discuss the ratio of the relative Υ(2S) overΥ(1S) as a function of charged-particle multiplicity. The comparison between the relative J/ψ andΥ(1S) yields measured at forward rapidity as a function of multiplicity will also be discussed. This will provide insight of possible dependence of the measured correlation with different mass and quark contents as well as the evolution with rapidity range and the collision energy

Color-singlet production of quarkonia has failed to correctly predict the cross sections of ψ's produced at the Tevatron. Gluon fragmentation has been identified the dominant source of high energy prompt quarkonia at hadron colliders. Fragmentation approximations break down, however, when a quarkonium's transverse momentum becomes comparable to its mass. We review the NRQCD formalism, which is an effective field that improves upon the color-singlet calculations. As an example of color-singlet calculation, we calculate in closed form the complete O(α²_s) color-singlet differential cross section for e⁺e^- → γ^* → ψq + X scattering. The cross section reduces at high energies to a heavy quark fragmentation form. We find that the energy scale at which the approximate fragmentation result becomes reliable exceeds the ψq mass by more than an order of magnitude. We also discuss the color-singlet model's predictions for direct J/ψ angular and energy distributions at CLEO. For production at a pp collider, we identify a large class of color-octet diagrams that mediate quarkonia production at all energies and reduce to the dominant set of gluon fragmentation graphs in the high p⊥ limit. They contribute to quarkonia differential cross sections at the same order as color-singlet diagrams and bring theoretical predictions for γ and ψ production at the Tevatron into agreement with experimental measurements. Using recent CDF data, we extract numerical values for bottomonia and charmonia color-octet matrix elements which are consistent with NRQCD scaling rules. We calculated the polarization of ψ' due to pp → QQ[^2S+1L_J⁽⁸⁾]X → ψ^(λ)X color-octet quarkonia production at order α³_s which could be used as a test of NRQCD. We find that at low transverse momenta the ψ' is unpolarized due to the contributions proportional to the L = S = 0 and L = s = 1 color-octet matrix elements. As p⊥ increases, the ψ' mesons become 100% polarized, as predicted by fragmentation calculations. Polarization due to lowest order color-singlet production is also considered, which qualitatively has a similar shape to the color-octet production.

BABAR is a particle physics experiment at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). The purpose of BABAR is to study matter-antimatter asymmetry in the bottom quark system. At SLAC, electons and positrons collide, which annihilate and decay into a variety of daughters. An Upsilon(4S) meson is one of the possible daughters. An Upsilon(4S) decays into a B meson and an anti-B meson more than 96% of the time. A B meson has an anti-bottom quark and an anti-B meson has a bottom quark. The purpose of this thesis is to measure how many Upsilon(1S) originated from Upsilon(4S) in the entire BABAR data set. This thesis compares on-peak data and off-peak data. On-peak data was taken at center of mass energy 10.58GeV. One of the possible interactions is e+e− -> Upsilon(4S) since the mass of Upsilon(4S) is 10.58GeV/c^2. On-peak data, taken at center of mass energy 10.54GeV, is not enough to have any BB pairs because 10.54GeV is less than the mass of an Upsilon(4S). This thesis can be useful for BABAR physicist because it helps set an upper limit on how many BB pairs there are in the entire BABAR data set. In other words, it sets an upper limit on how much more than 96% does Upsilon(4S) decay to BB. Measurement of the decay of Upsilon(4S) -> Upsilon(1S) + X give evidence for non-BB decays of the Upsilon(4S). The final results of this study show that there were (110 +- 3) × 10^5 Upsilon(1S) on-peak, of which (10 +- 9) × 10^5 originated from an Upsilon(4S). Increasing the centre of mass energy from 10.54GeV to 10.58GeV increases the Upsilon(1S) production by (10 +- 8)%.

Heavy quarkonium production is not fully understood, but often described by two different models, the Color Singlet Model (CSM), and the Color Octet Model (COM). Previous measurements at the Tevatron collider by the CDF and D0 experiments are not fully in agreement with predicted observables from either model. The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), and the Solenoidal Tracker At RHIC (STAR) is well suited to further explore heavy quarkonium production. The Heavy Flavor program in STAR encompasses various heavy-flavor analyses, taking advantage of its large solid-angle acceptance, including measurements that explore the properties of heavy quarkonium production using J/ψ and Upsilon (Υ) reconstructions via the di-electron channel, in p+p, d+Au, Cu+Cu, and Au+Au collision systems. This thesis presents results of reconstructed Upsilon (Υ) to study the Upsilon(nS) [n = 1, 2, 3] line- shape and measurements of the production-related observables of spin-alignment (‘polarization’) and Upsilon + hadron correlations (Υ + h) to investigate the Upsilon production mechanism, using triggered data from Run-8 (2008) d+Au and Run-9 (2009) p+p collisions at sqrt(sN N) = 200 GeV, detected at STAR. The result of the spin-alignment measurement is α = 1 ± 0.3 with χ^2 /n.d.f. = 18.71/7 indicating a large (transverse) polarization. The measurement of hadronic activity near the vicinity of an Upsilon, within current uncertainties, is in reasonable agreement with both CSM and COM predictions from PYTHIA, but slightly favors the COM prediction for the near-side Υ + h correlation.

We investigate charmonium production in the hot medium created by heavy-ion collisions by setting up a framework in which in-medium charmonium properties are constrained by thermal lattice QCD (lQCD) and subsequently implemented into kinetic approaches. A Boltzmann transport equation is employed to describe the time evolution of the charmonium phase space distribution with the loss and gain term accounting for charmonium dissociation and regeneration (from charm quarks), respectively. The momentum dependence of the charmonium dissociation rate is worked out. The dominant process for in-medium charmonium regeneration is found to be a 3-to-2 process. Its corresponding regeneration rates from different input charmquark momentum spectra are evaluated. Experimental data on J/[psi] production at CERN-SPS and BNL-RHIC are compared with our numerical results in terms of both rapidity-dependent inclusive yields and transverse momentum (pt) spectra. Within current uncertainties from (interpreting) lQCD data and from input charm-quark spectra the centrality dependence of J/[psi] production at SPS and RHIC (for both mid-and forward rapidity) is reasonably well reproduced. The J/[psi] pt data are shown to have a discriminating power for in-medium charmonium properties as inferred from different interpretations of lQCD results.