L'étude de la structure interne des hadrons nous permet de comprendre la nature des interactions entre les partons, les quarks et les gluons, décrites par la Chromodynamique Quantique. Les processus de diffusion élastique, qui ont été utilisés avec succès pour mesurer les facteurs de forme des nucléons, sont inclus dans ce cadre. Les processus inélastiques sont également inclus dans ce cadre, ils nous permettent d'extraire beaucoup d'information grâce au développement des distributions de partons (PDFs). Par conséquent, tandis que la diffusion élastique d'électrons par le nucléon nous fournit des informations sur la répartition des charges, et donc de la distribution spatiale des composants du nucléon, la diffusion inélastique présente des informations sur la distribution d'impulsions au moyen des PDFs. Cependant, dans les processus inélastiques, il est possible d'étudier les processus exclusifs tels que la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), qui nous permet d'accéder aux distributions spatiale et d'impulsions des quarks simultanément. Ceci est possible grâce aux fonctions généralisées des distributions de partons (GPDS), qui nous permettent de corréler les deux types de distributions. Le processus connu sous le nom DVCS est le moyen le plus facile pour accéder aux GPDS. Ce procédé implique la diffusion d'un électron par un proton, au moyen de l'échange d'un photon virtuel, qui entraîne la diffusion des particules initiales et l'émission d'un photon réel. Ce processus est en concurrence avec le processus dit Bethe-Heitler, dans lequel le photon réel est émis par l'électron initial ou final. En raison de la faible section efficace de ce type de procédé, de l'ordre du nb, il est nécessaire d'utiliser une installation capable de fournir une haute luminosité pour réaliser les expériences. L'une de ces installations est le Thomas Jefferson National Accelerator Facility, où l'expérience appelée "Complete Separation of Virtual Photon and π⁰ Electroproduction Observables of Unpolarized Proton" a été réalisée au cours de la période entre Octobre et Décembre de 2010. Le principal objectif de cette expérience est la séparation de la contribution du terme provenant du DVCS à partir du terme d'interférence, résultant de la contribution du BH. Cette séparation est appelée "Séparation Rosenbluth". Cette thèse porte sur le calorimètre électromagnétique qui a été utilisé pour détecter le photon dans l'expérience E07-007 à Jefferson Lab. Il y a aussi une introduction théorique à l'étude de la structure du nucléon, en révisant les concepts de facteurs de forme et des distributions de partons à travers des processus élastiques et inélastiques. Le calcul de la section efficace de la leptoproduction de photons est décrite en détail, ainsi que les buts de l'expérience E07-007. Dans cette thèse on décrit l'analyse des données enregistrées par le calorimètre électromagnétique, avec le but d'obtenir les variables cinématiques des photons réels résultants des réactions DVCS. Finalement, on décrit la sélection des événements à partir des données stockées, les réductions appliquées aux variables cinématiques et la soustraction de fond. En outre, le processus d'extraction des observables nécessaires pour le calcul de la section efficace de la leptoproduction de photons est décrite, ainsi que les principales étapes suivies pour effectuer la simulation Monte-Carlo utilisée dans ce calcul. Les sections efficaces obtenues sont indiquées à la fin de cette thèse.

La structure des nucléons et des noyaux a été intensivement étudiée au cours duvingtième siècle au travers de la diffusion élastique d'électrons (mesure des facteurs deforme électromagnétique) et de la diffusion profondément inélastique (mesure des distributionsde partons). Le formalisme des distributions généralisées de partons (GPD)a permis d'unifier les facteurs de forme et les distributions de partons. Ce lien procureune source d'information unique sur la dynamique des partons, telle la distribution desforces nucléaires et de moment orbital au sein des hadrons. L'accès expérimental le plussimple aux GPD est la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS), correspondantà l'électroproduction dure d'un photon réel. Tandis que plusieurs expériences sesont déjà focalisées sur la réaction DVCS sur le nucléon, les expériences sur une ciblenucléaire s'avèrent plus rares. Cette thèse se concentre sur l'étude du canal DVCS cohérentsur l'hélium 4, avec pour objectif l'extraction des parties réelle et imaginaire dufacteur de forme Compton via l'asymétrie de spin du faisceau.

La these de doctorat intitulee ``Mesure de la diffusion Compton a haute virtualite a HERA II'<p>a ete realisee au sein du service de physique des particules elementaires de l'ULB sous<p>la direction de mon promoteur Laurent Favart<p>et porte sur l'analyse des donnees enregistrees par l'experience H1 situee aupres du collisionneur<p>electron-proton HERA du laboratoire DESY a Hambourg. <p><p>L'analyse presentee concerne l'etude d'un processus diffractif exclusif particulier,<p>le processus de diffusion Compton a haute virtualite ou DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering), e p -> e p gamma, qui correspond a <p>la diffusion gamma* p -> gamma p$ d'un photon<p>hautement virtuel par le proton, dans le domaine cinematique 6.5 < Q^2 < 80 GeV2,<p>30 < W < 140 GeV et / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Plus de quarante ans après la découverte de constituants ponctuels dans le nucléon, sa structure en quarks et gluons (partons) fait toujours l'objet d'études intenses. Certains processus exclusifs (où tous les produits de l'état final sont connus) de leptoproduction ou de photoproduction exclusive de photon ou de méson sur le nucléon permettent d'accéder aux Distributions de Parton Généralisées (GPDs). Ces fonctions paramétrisent la structure complexe du nucléon et contiennent des informations sur l'impulsion longitudinale et la position transverse des partons dans le nucléon. De tels processus exclusifs sont la Diffusion Compton Profondément Virtuelle "genre espace" et "genre temps" (DVCS et TCS respectivement) qui correspondent à la diffusion d'un photon de haute énergie sur un quark du nucléon et sont mesurés respectivement à partir des réactions lN⇾l'N'γ (N = proton ou neutron, l = lepton) et γN⇾N'l+l-. La première partie de cette thèse est une étude expérimentale du DVCS avec les données 2009 de l'expérience COMPASS au CERN. Dans un premier temps, la section efficace de diffusion profondément inélastique est mesurée, de façon à valider la mesure du flux de muons et à déterminer certains effets systématiques dans la recontruction des traces. Ensuite, la section efficace de production exclusive d'un photon est mesurée. Elle contient le processus DVCS (photon émis par un quark du nucléon) et le processus Bethe-Heitler (photon émis par le lepton diffusé) qui ont le même état final. L'étude des bruits de fond a aussi conduit à estimer une limite à la section efficace de production exclusive d'un pion neutre. La seconde partie de la thèse est dédiée à une étude phénoménologique du TCS aux énergies typiques de JLab 12 GeV. Les amplitudes du TCS et du Bethe-Heitler associé sont d'abord calculées. Puis, toutes les asymétries de simple et de double polarisation de la cible et/ou du faisceau linéairement ou circulairement polarisé sont calculées en fonction de diverses contributions de GPDs. Enfin, une méthode d'ajustement est présentée pour extraire les Facteurs de Forme Compton (qui sont des fonctions des GPDs) avec des données et/ou des simulations de DVCS et/ou de TCS. / More than forty years after the discovery of pointlike constituents inside the nucleon, its quarks and gluons structure is still intensively studied. Some exclusive processes (where all the final state products are known) of leptoproduction or of photoproduction of photon or meson off the nucleon provide access to the Generalized Parton Distributions (GPDs). These functions parameterize the complex structure of the nucleon and contain informations about the longitudinal momentum and the spatial transverse distribution of partons inside the nucleon. Such exclusive processes are the "Spacelike" and the "Timelike" Deeply Virtual Compton Scattering processes (DVCS and TCS respectively) which correspond to the scattering of a high-energy photon off a quark in the nucleon and are respectively measured in the reactions lN⇾l'N'γ (N = proton or neutron, l' = lepton) and γN⇾N'l+l- The first part of this thesis is devoted to the experimental study of DVCS, using the 2009 data from the COMPASS experiment at CERN. In a first step, the Deep Inelastic Scattering cross section is measured in order to check the muon flux measurement and to evaluate some systematic effects. Then, the cross section for the exclusive production of a photon is measured. It is made up of the DVCS process (the photon is emitted by a quark) and of the Bethe-Heitler process (the photon is emitted by the scattered lepton) which has the same final state. The study of the background has allowed to estimate in parallel an upper limit for the cross section of the exclusive production of a π° meson. The second part of the thesis is devoted to a phenomenological study of TCS at typical energies for the JLab 12 GeV upgrade. Firstly, the amplitudes for the TCS and for the associated Bethe-Heitler process are derived. Then, all single and double polarization (beam and/or target) observables are calculated as a function of different GPD contributions. Finally, a method is presented to extract the Compton Form Factors (functions of GPDs) from fits on DVCS and/or TCS data and/or simulations.

Les Distributions de Partons Généralisées (GPDs) sont des fonctions de structure riches qui contiennent des informations sur les corrélations de quark/ anti-quark, et sur les corrélations entre l'impulsion longitudinale et la position transversale des partons. Ces GPDs sont accessibles via des réactions exclusives durs tels que la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS pour Deeply Virtual Compton Scattering), à savoir la leptoproduction d'un photon réel où le photon est émis par la cible. La DVCS nucléaire ouvre une nouvelle voie pour explorer la nature des modifications moyennes des hadrons dans le milieu nucléaire. Dans ce travail, nous présentons la première mesure exclusive du processus DVCS sur l'hélium-4 avec un faisceau d'électrons polarisés longitudinalement de 6 GeV et le détecteur CLAS dans le Hall B au Jefferson Lab, États-Unis. L'hélium-4 est d'un intérêt particulier il n'a qu'une seul GPD, en raison de son spin 0. Le but de cette étude est de comprendre les modifications nucléaires de distributions de partons. Dans notre expérience, le détecteur CLAS a été amélioré avec une Chambre à Projection Temporelle Radiale (RTPC pour Radial Time Projection Chamber) pour détecter les noyaux de recul de faible énergie, et un calorimètre intérieur (IC) pour détecter les photons produit à petits angles. Les détails de la structure, de l'étalonnage et du fonctionnement de la RTPC sont présentés. Ensuite, l'analyse des données et la mesure des asymétries faisceau-spin du processus DVCS sont présentés. / The Generalized Parton Distributions (GPDs) are rich structure functions that contain information on quark/anti-quark correlations, and on correlation between longitudinal momentum and the transverse spatial position of partons. These GPDs are accessible via hard exclusive reactions such as Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), i.e. the leptoproduction of a real photon where the photon is emitted by the target hadron. Nuclear DVCS opens a new avenue to explore the nature of medium modifications at the partonic level. In this work, we present the first exclusive measurement of the DVCS process off helium-4 with a longitudinally polarized electron beam of 6 GeV using the CLAS detector in the experimental Hall-B at Jefferson Lab, USA. The helium-4 is of particular interest since the number of GPDs is reduced to one, because of its spin zero. The aim of this study is to understand the nuclear medium modifications of parton distributions. In our experiment, the CLAS detector was upgraded with a Radial Time Projection Chamber (RTPC) to detect the low-energy recoil nuclei, and an Inner Calorimeter (IC) to detect the forward going photons. The details of the structure, calibration and working principle of the RTPC will be presented. Then, the measurement of the beam-spin asymmetries in the DVCS channel will be presented.

La section efficace d'électroproduction de photons sur le nucléon est proportionnelle aux amplitudes au carré de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) et du Bethe-Heitler ainsi qu'un terme d'interférence de ces deux processus. Sa mesure sur le neutron fut réalisée dans le cadre de l'expérience E08-025 qui s'est déroulée en 2010 dans le Hall A à Jefferson Lab (USA). Par une forte sensibilité au terme d'interférence, elle aura permis l'extraction de trois observables dépendantes des Distributions Généralisées de Partons (GPDs), ainsi que la perspective de séparer par une méthode Rosenbluth le terme |DVCS|².Les GPDs sont des fonctions de structure qui nous permettent de comprendre la structure interne des nucléons en terme de corrélation entre les distributions en position transverse et en impulsion longitudinale des quarks au sein du nucléon. Plus qu'un moyen d'accéder à une image tri-dimensionnelle de la composition élémentaire du nucléon, la détermination des GPDs du neutron permettrait par la règle de somme de Ji l'accès au moment angulaire des quarks dans le nucléon, la pièce manquante à la compréhension du mystère lié au spin du nucléon.Cette thèse aborde le contexte théorique de la mesure de la section efficace d'électroproduction de photons sur le neutron, puis une description de la configuration expérimentale utilisée pour sa réalisation. Elle expose la sélection des données d'intérêt pour cette mesure et présente les résultats obtenus par une méthode d'ajustement des données à une simulation Monte Carlo dont la démarche est expliquée en détails. Pour finir, une étude systématique des résultats achève ce manuscrit. / The photon electroproduction cross section off the nucleon is proportional to the deeply virtual Compton scattering (DVCS) and Bethe-Heitler amplitudes squared together with an interference term between these two processes. Its measurement on the neutron has been performed in the framework of the E08-025 experiment which took place in 2010 in Hall A at Jefferson Lab (USA). Thanks to a high sensibility to the interference term, it made possible the extraction of three Generalized Parton Distributions (GPDs) dependent observables, as well as the prospect to extract the |DVCS|² term through a Rosenbluth separation.The GPDs are structure functions which allow to understand the internal structure of nucleons in term of the correlation between transverse spatial and longitudinal momentum distributions of quarks inside the nucleon. More than a way to access a three-dimensional picture of the elementary arrangement of the nucleon, the measurement of GPDs on the neutron would give access by the Ji's sum rule to the angular momentum of quarks in the nucleon, the missing piece for the understanding of the nucleon spin puzzle.This thesis outlines the theoretical context of the measurement of the photon electroproduction cross section off the neutron, and the experimental setup used for its achievement. It describes the selection of the experimental data of interest for this measurement and presents the results obtained from a fitting method of data to a Monte Carlo simulation, which is explained in detail. Finally, a systematic study of the results completes this manuscript.

L'expérience de diffusion Compton profondément virtuelle sur le proton (DVCS) du Hall A a pris le faisceau d'électrons de 5.757 GeV polarisé du Jefferson Laboratory de septembre à décembre 2004. Elle a utilisé un spectromètre à haute résolution associé à un calorimétre électromagnétique en fluorure de plomb et à un detecteur de protons tous deux spécialement con\c cus pour fonctionner à une haute luminosité de 10^37cm^-2s^-1 permettant de signer les<br />événements exclusifs sans ambiguïté. Trois mesures ont été effectuées a x_bjorken=0.32 constant pour 3 valeurs de Q^2 : 1.5 GeV^2, 1.91GeV^2, 2.32 GeV^2. Une électronique dédiée a aussi été mise en place permettant de résoudre l'empilement durant l'analyse ainsi q'un module de coïncidence électron photon. Les données de la cinématique à 2.32 GeV^2 et s=5.6GeV^2 ont permis d'extraire un résultat préliminaire pour la section efficace d'électroproduction exclusive de pi^0 sur le proton.

Les distributions généralisées de partons (GPDs) sont des fonctions universelles permettant une meilleure compréhension des propriétés des nucléons en termes de quarks et de gluons. La diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) est le processus le pus simple permettant leur mesure. En particulier, le DVCS sur le neutron est sensible à la GPD E qui est la moins contrainte à ce jour et dont la connaissance s'avère indispensable pour accéder au moment angulaire des quarks. La première expérience dédiée au DVCS sur le neutron a eu lieu fin 2004 au Hall A du Jefferson Lab. La haute luminosité de l'expérience et le taux de bruit de fond qui en découle ont nécessité le développement d'équipements spécifiques qui sont décrits. Les méthodes d'analyse utilisées sont présentées et les résultats de l'expérience conduisant à des contraintes préliminaires sur la GPD E sont discutés.