Collisions à Haute Energie de Hadrons Denses en Chromodynamique Quantique : Phénoménologie du LHC et Universalité des Distributions de Partons

Abstract

As the value of the longitudinal momentum carried by partons in a ultra-relativistic hadron becomes small, one observes a growth of their density. When the parton density becomes close to a value of order $1/\alpha_s$, it does not grow any longer, it saturates. These high density effects seem to be well described by the Color Glass Condensate effective field theory. On the experimental side, the LHC provides the best tool ever for reaching the saturated phase of hadronic matter. For this reason saturation physics is a very active branch of QCD during these past and coming years since saturation theories and experimental data can be compared. I first deal with the phenomenology of the proton-lead collisions performed in winter 2013 at the LHC and whose data are about to be available. I compute the di-gluon production cross-section which provides the simplest observable for finding quantitative evidences of saturation in the kinematic range of the LHC. I also discuss the limit of the strongly correlated final state at large transverse momenta and by the way, generalize parton distribution to dense regime. The second main topic is the quantum evolution of the quark and gluon spectra in nucleus-nucleus collisions having in mind the proof of its universal character. This result is already known for gluons and here I detail the calculation carefully. For quarks universality has not been proved yet but I derive an intermediate leading order to next-to leading order recursion relation which is a crucial step for extracting the quantum evolution. Finally I briefly present an independent work in group theory. I detail a method I used for computing traces involving an arbitrary number of group generators, a situation often encountered in QCD calculations.Lorsque l'impulsion longitudinale des partons contenus dans un hadron ultra-relativiste diminue, on observe un accroissement de leur densité. Quand la densité approche une valeur d'ordre $1/\alpha_s$, elle n'augmente plus, elle sature. Ces effets de haute densité semblent être correctement décrits par la théorie effective du "Color Glass Condensate". Du point de vue expérimental, le LHC est le meilleur outil jamais disponible pour atteindre la phase saturée de la matière hadronique. Pour cette raison, la physique de la saturation est une branche très active de la QCD dans les années passées et à venir car la théorie et les expériences peuvent être comparées. En premier lieu, je discute de la phénoménologie des collisions proton-plomb qui ont eu lieu à l'hiver 2013 et dont les données sont sur le point d'être disponibles. Je calcule la section efficace pour la production de deux gluons qui est l'observable la plus simple pour trouver des preuves quantitatives de la saturation dans le régime cinématique du LHC. Je traite également la limite des états finaux fortement corrélés à grandes impulsions transverses et, par la même occasion, généralise la distribution de partons au régime dense. Le second sujet principal est l'évolution quantique des spectres de gluons et de quarks dans les collisions noyau-noyau, ayant à l'esprit son caractère universel. Ce résultat est déjà connu pour les gluons et je détaille ici le calcul avec attention. Pour les quarks, l'universalité n'a toujours pas été prouvée mais je dérive une formule de récursion intermédiaire entre l'ordre dominant et l'ordre sous-dominant qui constitue une étape cruciale dans l'extraction de l'évolution quantique. Enfin, je présente brievement un travail indépendant de théorie des groupes. Je détaille une méthode personnelle permettant de calculer des traces impliquant un nombre arbritraire de générateurs, une situation souvent rencontrée dans les calculs de QCD