Le détecteur VZERO, la physique muons présente et la préparation de son futur dans l'expérience ALICE au LHC

La physique des ions lourds a pour objectif ultime d'étendre le domaine d'application du Modèle Standard de la physique des particules à des systèmes de taille finie, complexes et dynamiques. En particulier, elle vise à comprendre comment apparaissent, à partir des lois microscopiques de la physique des particules élémentaires, des phénomènes collectifs et des propriétés macroscopiques mettant en jeu un grand nombre de degrés de liberté. La réalisation de ce programme scientifique passe par une caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), l'état déconfiné de la matière nucléaire qui peut être formé à l'aide de collisions d'ions lourds accélérés à des énergies ultra relativistes. L'expérience ALICE exploite les collisions Pb-Pb, proton-Pb et proton-proton du LHC pour mesurer les propriétés fondamentales du QGP comme, par exemple, la température critique du déconfinement ou les coefficients de transport de la matière déconfinée. L'état QGP de la matière aurait été, selon le modèle cosmologique du Big Bang, l'état de la matière dans l'Univers naissant entre le moment de la transition de phase électrofaible et le moment du confinement, correspondant à une nouvelle transition de phase de la matière. Connaître la structure du QGP ainsi que ses propriétés dynamiques est ainsi un prérequis pour comprendre l'évolution de l'Univers. Une brève introduction au QGP et à la physique des ions lourds est donnée au Chapitre 1. L'équipe ALICE de l'IPN de Lyon a participé au développement de l'expérience ALICE à travers deux contributions. La première est la construction d'un détecteur nommé VZERO, qui se compose de deux hodoscopes de scintillateurs organiques situés de part et d'autre du point d'interaction. La fonction première du VZERO est le déclenchement de bas niveau de l'ensemble de l'expérience ALICE en fournissant également un déclenchement sensible à la densité d'énergie disponible lors de la collision. Les performances de ce détecteur se sont montrées suffisantes pour qu'il devienne un détecteur crucial à l'expérience, permettant la mesure de la luminosité délivrée par le LHC à l'expérience ALICE ainsi que la mesure des caractéristiques géométriques de la collision. Le VZERO est également utilisé pour des mesures relatives à la physique du QGP comme la mesure de la densité de particules chargées produites dans la collision ou la mesure de l'écoulement collectif induit par la présence du QGP. Le détecteur VZERO est décrit au Chapitre 2. Le QGP peut être étudié par le biais de nombreuses observables. Parmi celles-ci, l'étude de la production de muons est l'une des plus prometteuses. En effet, les muons sont produits à toutes les étapes de l'évolution du plasma et, n'interagissant pas fortement avec le milieu créé, s'échappent librement du plasma, nous renseignant ainsi sur les propriétés du milieu à toutes les phases de son évolution. L'expérience ALICE dispose d'un spectromètre à muons permettant ces mesures. La seconde contribution du groupe est le développement d'un système de contrôle de la position des chambres de trajectographie du spectromètre à muons de ALICE, nommé GMS (Geometry Monitoring System). Le système GMS, constitué d'un réseau de senseurs optiques, permet de mesurer les déplacements lents des chambres de trajectographie avec une résolution de l'ordre de 45 microns. Ce système a permis d'atteindre les performances attendues du spectromètre en terme de résolution en impulsion. J'ai eu la chance de participer à toutes les étapes de la construction de ces détecteurs, à leur mise en place et leur utilisation lors du run 1 du LHC (prise de données couvrant les années 2009 - 2013). Le spectromètre à muons et son système d'alignement sont décrits au Chapitre 3. Le groupe ALICE de l'IPNL a une longue histoire scientifique dans l'étude des collisions d'ions lourds. L'équipe a en particulier participé aux expériences NA38, NA50 et NA60 auprès du SPS du CERN. Historiquement, le groupe est donc impliqué dans l'étude du spectre en masse invariante dimuon. Depuis les débuts de la composante Muon de l'expérience ALICE, le groupe a la charge de l'étude de la production des mésons vecteurs de basse masse ( $\rho, \omega, et \theta$ ) dans leur canal de désintégration dimuonique. Les mésons vecteurs de basse masse, et principalement le méson , sont sensibles aux effets de milieu et à la restauration de la symétrie chirale, symétrie spontanément brisée dans QCD aux énergies et densités normales, mais une restauration de celle-ci est prédite par les calculs de QCD sur réseau aux températures atteintes au LHC. L'étude des mésons vecteurs de basse masse est décrite au Chapitre 4. Une nouvelle phase de l'expérience ALICE est devant nous : l'amélioration des détecteurs actuels afin de pouvoir profiter pleinement de la montée en énergie et en luminosité du LHC après 2018. Dans le cadre de ces améliorations, un nouveau détecteur en pixels de silicium (Muon Forward Tracker - MFT) a été proposé et accepté par la collaboration ALICE et le comité LHC, permettant la mesure des muons dans l'acceptance du spectromètre actuel. La mise en concordance des informations provenant du spectromètre à muons d'une part et du MFT d'autre part permettra d'enrichir de façon spectaculaire le programme de physique accessible dans le domaine des muons. Les analyses actuelles seront bien entendues améliorées, mais surtout de nouvelles mesures seront possibles grâce à l'ajout du MFT. Parmi celles-ci nous pouvons citer la possibilité de séparer les J/$\psi$ prompts de ceux provenant de la décroissance de hadrons beaux et ce jusqu'à une impulsion transverse nulle. Le MFT et ses performances attendues sont décrits au Chapitre 5.