Résumé
Les conditions extrêmes de température et de densité d’énergie créées lors des collisions d’ions lourds ultra-relativistes au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC) fournissent une occasion unique d’étudier les propriétés de la matière. Une transition de phase de la matière hadronique vers un milieu déconfiné de quarks et de gluons (PQG) est prédite par la chromodynamique quantique et des efforts théoriques et expérimentaux considérables ont été investis pour étudier ses propriétés. Parmi les sondes éminentes du PQG, les quarks lourds jouent un rôle prépondérant car ils sont créés lors des processus durs initiaux, avant la formation du PQG, et leur nombre est conservé durant les phases partoniques et hadroniques de la collision. Les états liés de quarks lourds - quarkonium (charmonium pour cc̄ et bottomonium pour bb), constituent des sondes remarquables du milieu. Les observations expérimentales de quarkonia aux énergies du LHC dans les collisions A–A sont reproduites au travers de deux méchanismes antagonistes : la suppression séquentielle, proposée très tôt comme signature du PQG, et la (re)génération de quarkonia par (re)combinaison de quarks déconfinés. Cependant des incertitudes importantes sont associées aux prédictions théoriques et de nombreuses inconnues demeurent. L’anisotropie azimuthale de l’espace des moments (désignée sous le terme de flot elliptique, v2) de la production de charmonium devrait avoir une meilleure vue d’ensemble et de contraindre davantage les paramètres des modèles théoriques. Si les quarks charmés se (re)combinent en paires cc̄, les J/ψproduits devraient hériter de leur flot. Les études précédentes ont montré des premiers signes d’un v2 positif du J/ψdans les collisions Pb–Pb à √sNN = 2.76TeV.

Cette thèse porte sur la mesure de l’anisotropie azimuthale du J/ψ dans les collisions Pb–Pb à √sNN = 5.02TeV où une (re)combinaison légèrement plus importante est prédite par rapport aux énergies inférieures et une augmentation statistique d’un facteur 3 a été enregistrée. L’étude du flot elliptique du J/ψ fournit des informations clés sur la magnitude et la dynamique des mécanismes de suppression et de (re)génération de charmonia. Par ailleurs, elle offre un regard unique sur l’évolution et les interactions des quarks charmés au sein du milieu en expansion.

Mots clés:  LHC, Plasma de Quarks et de Gluons, ions-lourds, quarkonium, Pb–Pb, ALICE, charmonium, J/ψ, flot elliptique, charme

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Abstract
Extreme temperature and energy densities produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions at the Large Hadron Collider provide an unique opportunity to study the properties of matter. A phase transition of the hadronic matter to a deconfined medium of quarks and gluons, the Quark-Gluon Plasma (QGP) is predicted by Quantum Chromodynamics and considerable theoretical and experimental efforts have been invested to study its properties. Among the prominent probes of the QGP, heavy quarks play a crucial role since they are created in primary hard-scattering processes, before the QGP formation, and their number is conserved throughout the partonic and hadronic phases of the collision. Bound states of heavy quarks — quarkonium (charmonium for cc̄ and bottomonium for bb) provide remarkable probes of the medium. At LHC energies, experimental observations of quarkonium in A–A collisions are reproduced through two antagonist mechanisms: a sequential suppression of the quarkonium states, early suggested as a signature of the QGP, and quarkonium (re)generation by (re)combination of deconfined quarks. However theoretical predictions carry large uncertainties and many unknows remain. The momentum space azimuthal anisotropy of charmonium production (referred as elliptic flow v2) should help better understanding the picture and constraining theoretical model parameters. If charm quarks (re)combine in the medium into cc̄ pairs, produced J/ψ should inherit their flow. Previous studies have shown first hints of a positive J/ψ v2 in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76TeV.

This thesis focuses on the measurement of J/ψ azimuthal anisotropy in Pb–Pb collisions √sNN = 5.02TeV where a slightly stronger (re)generation component is predicted with respect to lower collision energies and a factor of 3 more statistics was collected. The study of J/ψ v2 provides important information on the magnitude and dynamics of charmonium suppression and (re)generation mechanisms. In addition it offers a unique insight on charm quark evolution and interactions in the expanding medium.

Keywords: LHC, Quark-Gluon Plasma, heavy-ions, quarkonium, Pb–Pb, ALICE, charmonium, J/ψ, elliptic flow, charm