Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas. / This thesis presents my work performed since 2010 to develop Micromegas detectors for the CLAS12 spectrometer that will be installed in the Hall B of Jefferson Laboratory (USA). The Micromegas are robust, fast and cheap gaseous detectors. Nevertheless, they must be adapted to the specific CLAS12 environment as there are many challenges to face : presence of a strong magnetic field, off-detector frontend electronics, high hadrons rate, necessity to curve the detectors, few space available. My PhD started by beam tests at CERN that allowed to evaluate the spark rate in CLAS12 Micromegas at a few Hertz. An important part of this document is therefore devoted to the study of several innovative methods to minimize the dead time induced by sparks. Thus, I have performed intensive tests on the optimization of the micromesh high voltage filter, with on Micromegas equipped with a GEM foild or on resistive Micromegas. The latter giving excellent results, full scale prototypes, one of which built by a company, have been tested. The mechanics and the working point (gas, voltages, geometry...) of the detectors have then be validated by laboratory tests. However, to ensure a better signal over noise ratio, the micromesh has been optimized. The CEA Saclay being also responsible for the development of the electronics for CLAS12 Micromegas, I have compared its performance with another electronics, verify its time resolution and determine the signal over noise ratio when 2 m long cables are connecting the electronics to the detector. The progress realized in the context of CLAS12 have furthermore triggered other projects. So, I have carried out simulations based on pseudo-data to validate the feasibility of a meson spectroscopy experiment for which we have proposed a Micromegas based tracker.

Establishing the excitation spectrum of the nucleon would be a key advance to further our understanding of nucleon structure and Quantum Chromodynamics (QCD). Recent theoretical advances allow predictions of the excitation spectrum of the nucleon and other nucleon properties directly from QCD in the non-perturbative regime, via numerical methods (such as Lattice QCD), complementing existing constituent quark models. There is an ongoing world programme in meson photoproduction from the nucleon, which has already led to a number of nucleon resonances being discovered and established. This advance has largely been made possible by the first accurate measurement of polarisation observables. Available data has been obtained for proton targets, whereas for a complete picture of meson photoproduction, data from the neutron must also be obtained. This is important, as nucleon resonances can have very different photo-couplings to the proton and neutron. This thesis presents the first measurement of the E double-polarisation observable for the exclusive γn → K+Ʃ- reaction using a polarised hydrogen-deuterium target from the g14 run period at CLAS. Circularly polarised photons of energies between 1:1 and 2:3 GeV were used, with results shown in 200 MeV bins in Eγ and bins of 0:4 in cos θC.M./K+. Further to this, CLAS has undergone a detector upgrade in order to facilitate electrons of up to 12 GeV from Jefferson Lab's upgraded accelerator. Essential to this, is a new system for tagging quasi-real photons by detecting electrons scattered at very small angles. My work includes significant contributions to the design, realisation and construction of a hodoscope for this forward photon tagging apparatus. Presented in this thesis is a comprehensive overview of my work in developing and constructing the scintillating hodoscope for the CLAS12 Forward Tagger.

The CEBAF Large Acceptance Spectrometer for the 12 GeV era, known as CLAS12, uses the time of flight (TOF) system to identify charged particles from scattering events between the beam and target. The TOF system is divided into two parts: The Forward time of flight system, and the Central time of flight system. These two sub-systems subtend different polar angles of the detector geometry for wide acceptance of scattered particles. Reconstruction is the service used to identify particles from the interactions between the beam and target, called as a vertex or the point where the interaction occurs. The vertex position is traced back using the tracking system and the TOF system. The resolution of the detector affects the accuracy of the reconstructed vertex location. This paper’s goal will be to develop software for validation suite for CLAS12, which will include central and forward tracking plots. Plots will be developed to check the precision of the reconstructed vertices in both the central and forward detectors. This will be done assuming a target with zero dimension at 𝑣𝑧 = 0, and an extended target of 5 cm at 𝑣𝑧 = 0. This paper will also look at the TOF resolution, and identify particles using the TOF detectors and the effect of the vertex correction on the velocity vs. momentum plots.

Cette thèse présente mon travail de recherche accompli depuis 2010 pour développer les détecteurs Micromegas du spectromètre CLAS12 qui sera installé dans le hall B du laboratoire Jefferson aux Etats-Unis. Les Micromegas sont des détecteurs gazeux robustes, rapides et bon marché. Ils doivent cependant être adaptés à l'environnement spécifique de CLAS12 car les défis sont nombreux : présence d'un champ magnétique fort, éloignement de l'électronique, fonctionnement avec un taux de hadrons élevé, nécessité de courber les détecteurs, espace disponible restreint. Ma thèse a commencé par des tests de détecteurs en faisceau au CERN qui ont permis d'estimer que le taux de décharges dans les Micromegas de CLAS12 serait de quelques Hertz. Une part importante de ce document est ainsi consacrée à l'étude de plusieurs méthodes innovantes dont l'objectif est de minimiser le temps mort dû aux décharges. J'ai donc mené des tests intensifs portant sur l'optimisation du filtre haute tension de la microgrille, l'introduction d'une feuille de GEM dans un Micromegas ou encore l'utilisation de Micromegas dits résistifs. Ces derniers donnant d'excellents résultats, des prototypes à l'échelle 1, dont l'un fabriqué par un industriel, ont été testés. La mécanique et le point de fonctionnement (gaz, tensions, géométrie...) des détecteurs ont ensuite été validés par des tests en laboratoire. Toutefois, afin de s'assurer un meilleur rapport signal sur bruit, des optimisations de la microgrille du détecteur ont été menées. Le CEA Saclay étant également responsable du développement de l'électronique des Micromegas pour CLAS12, j'ai comparé ses performances avec une autre électronique, vérifier sa résolution temporelle et déterminer le rapport signal sur bruit lorsque des limandes de 2 m connectent le détecteur à l'électronique. Les progrès réalisés dans le cadre de CLAS12 ont par ailleurs initié d'autres projets. J'ai ainsi effectué des simulations basées sur des pseudo-données pour valider la faisabilité d'une expérience portant sur les mésons exotiques pour laquelle nous avons proposé un trajectographe composé de Micromegas.

Les distributions de Partons Généralisées (GPDs) fournissent une nouvelle description de la structure du nucléon en termes de ses constituants élémentaires, les quarks et les gluons. Les GPDs donnent accès à une image unifiée du nucléon, corrélant l'information obtenu par les mesures des Facteurs de Forme et des Distributions de Parton. Elles décrivent la corrélation entre la position transverse et la fraction d'impulsion longitudinale des partons dans le nucléon.La Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), ou l'électroproduction d'un photon réel sur un quark du nucléon eN -> e’N’γ , est le processus exclusif le plus direct pour accéder aux GPDs.Une expérience dédiée à l'étude du DVCS avec le détecteur CLAS du laboratoire Jefferson a été réalisé en utilisant un faisceau d'électron polarisé et une cible d'hydrogène non polarisée. Cette expérience a permis de collecter des événements DVCS sur le plus large espace cinématique jamais exploré dans la région de valence: 1 < Q^2 < 4.6 〖GeV〗^2, 0.1 < x_B < 0.58, 0.09 < -t < 3 〖GeV〗^2 .Dans ce travail, nous présentons l'extraction de trois observables DVCS différents: la section efficace non polarisée, la différence de section efficace polarisée et l'asymétrie de faisceau. Nous comparons nos résultats à un model de GPD. Nous présentons une extraction préliminaire des GPDs utilisant la dernière procédure d'ajustement aux données, et une interprétation préliminaire des résultats en termes de densité de parton. / The Generalized Parton Distributions (GPDs) provide a new description of the nucleon structure in terms of its elementary constituents, the quarks and the gluons. The GPDs give access to a unified picture of the nucleon, correlating the information obtained from the measurements of the Form Factors and the Parton Distribution Functions. They describe the correlation between the transverse position and the longitudinal momentum fraction of the partons in the nucleon.Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), the electroproduction of a real photon on a single quark of the nucleon eN -> e’N’γ, is the most straightforward exclusive process allowing access to the GPDs. A dedicated experiment to study DVCS with the CLAS detector of Jefferson Lab has been carried out using a 5.883 GeV polarized electron beam and an unpolarized hydrogen target, allowing to collect DVCS events in the widest kinematic range ever explored in the valence region : 1 < Q^2 < 4.6 〖GeV〗^2, 0.1 < x_B < 0.58, 0.09 < -t < 3 〖GeV〗^2 .In this work, we present the extraction of three different DVCS observables: the unpolarized cross section, the difference of polarized cross sections and the beam spin asymmetry. We present comparisons with GPD model. We show a preliminary extraction of the GPDs using the latest fitting code procedure on our data, and a preliminary interpretation of the results in terms of parton density.

Dans ce travail de thèse est présentée l’analyse des électroproductions exclusives des mésons f ₀ (980) et f₂(1270) sur le proton. Les données ont été acquises pendant l’expérience e1-6 (2001-2002) avec le détecteur CLAS du Jefferson Lab aux États-Unis, en utilisant un faisceau de 5.754 GeV et une cible de dihydrogène. Nous avons mesuré pour la première fois au monde les sections efficaces réduites différentielles de ces deux processus, dans le domaine cinématique 1.5 < Q2 < 4.3 GeV2 et 0.15< xB < 0.55. Nous proposons une interprétation de nos résultats sur une approche basée sur des degrés de liberté hadronique et la théorie de Regge. Une analyse des données en termes d’amplitudes d’ondes partielles et en terme de moments des distributions angulaires a également été tentée. Enfin, nous avons effectué la calibration des photomultiplicateurs du détecteur central de neutron (CND) pour le détecteur CLAS12. Le CND a été optimisé pour l’étude du processus n-DVCS (Diffusion Compton Profondément Virtuelle du neutron). / We present in this report our results for the exclusive electroproductions of f₀(980) and f₂(1270) off the proton. The data were taken during the e1-6 experiment (2001-2002) with the CLAS detector of Jefferson Laboratory, using a 5.754 GeV beam and a liquid hydrogen target. We have measured for the first time the reduced differential cross sections for these two processes, in the kinematical region 1.5 < Q2 < 4.3 GeV2 and 0.15< xB < 0.55. We propose an interpretation of our results according to a Regge-based model. An alternative analysis of the data in terms of partial waves amplitudes as well as in terms of moments of the decay angular distributions has also been attempted. Finally, we have performed the calibration of the photomultipliers of the Central Neutron Detector (CND), to be installed in the CLAS12 detector. The CND has been optimized for the study of the n-DVCS process (Deeply Virtual Compton Scattering off the neutron).

The Generalized Parton Distributions (GPDs) provide a new description of the nucleon structure in terms of its elementary constituents, the quarks and the gluons. The GPDs give access to a unified picture of the nucleon, correlating the information obtained from the measurements of the Form Factors and the Parton Distribution Functions. They describe the correlation between the transverse position and the longitudinal momentum fraction of the partons in the nucleon.Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), the electroproduction of a real photon on a single quark of the nucleon eN -> e'N'γ, is the most straightforward exclusive process allowing access to the GPDs. A dedicated experiment to study DVCS with the CLAS detector of Jefferson Lab has been carried out using a 5.883 GeV polarized electron beam and an unpolarized hydrogen target, allowing to collect DVCS events in the widest kinematic range ever explored in the valence region : 1 < Q^2 < 4.6 〖GeV〗^2, 0.1 < x_B < 0.58, 0.09 < -t < 3 〖GeV〗^2 .In this work, we present the extraction of three different DVCS observables: the unpolarized cross section, the difference of polarized cross sections and the beam spin asymmetry. We present comparisons with GPD model. We show a preliminary extraction of the GPDs using the latest fitting code procedure on our data, and a preliminary interpretation of the results in terms of parton density.