Single-particle production and photon-hadron correlations in proton-proton collisions at next-to-leading order

In this thesis, we study photon production and photon-hadron correlations at next-to-leading order (NLO) in proton-proton collisions, in both the cases of isolated and non-isolated photons. To begin, fundamentals of perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD) are reviewed, with an emphasis on describing how to compute spectra for single particle production and correlated pairs at both leading order (LO) and NLO in hadronic collisions. In particular, a discussion of infrared and collinear singularities at NLO will provide a natural introduction to the concept of factorization. These results are then specifically applied to the case of computing photon and pion single-particle cross-sections in proton-proton collisions at Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) and Large Hadron Collider(LHC) energies, and compared to experimental data from the PHENIX and CMS experiments respectively. Included in this will be a short study of the theoretical systematic uncertainty generated by the dependence on factorization scales, and a discussion of the modifications needed when moving from inclusive to isolated observables. Following this, double inclusive cross-sections for production of photon-tagged hadrons are computed and compared to data from PHENIX. Once again, a full NLO treatment is given, and the effects of isolation are implemented. We will conclude with a final section on the application of photon-hadron correlations to the tomographic mapping of energy loss in heavy-ion collisions.Dans cette dissertation, nous étudions la production au seconde ordre (NLO) de photons ainsi que la corrélation entre photons durs et hadrons dans les collisions proton-proton. Dans les deux cas est inclus l'effet de l'application de critères d'isolement sur les photons. Nous commençons par une synthèse des résultats fondamentaux de la chromodynamique quantique perturbative (pQCD), dans laquelle nous résumons les méthodes principales pour calculer des sections efficaces aux premier et second ordres. En particulier, nous discutons des singularités infrarouges et colinéaires qui se produisent au seconde ordre, ce qui nous amènera à introduire la théorie de la factorisation. Ces outils sont par la suite utilisés pour calculer les section efficaces pour la production de photons et de pions dans les collisions proton-proton aux énergies atteintes au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)et au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ces résultats sont comparés aux données des expériences PHENIX et CMS respectivement. Nous étudions aussi l'incertitude théorique due aux choix des échelles de factorisation et la différence entre les sections efficaces inclusives et isolées. Finalement, nous calculons les sections efficaces pour les paires photon-hadron corrélées et comparons les résultats aux données de PHENIX, tout en incluant les effets de second ordre et d'isolement. Nous concluons avec une description qualitative de l'application des corrélations pour établir une tomographie des collisions d'ions lourds