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. / The study of the inner structure of hadrons allows us to understand the nature of the interactions between partons, quarks and gluons, described by Quantum Chromodynamics. The elastic scattering reactions, which have been studied in order to measure the nucleon form factors, are included in this frame. The inelastic scattering reactions are also included in this frame, they allow us to obtain information about the nucleon structure thanks to the development of the parton distribution functions (PDFs). While through elastic scattering we can obtain information about the charge distribution of the nucleon, and hence, about the spatial distribution of the partons, through inelastic scattering we obtain information about the momentum distributions of partons, by employing the PDFs. However, we can study the exclusive inelastic scattering reactions, such as the Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), wich allow us to access to the spatial and momentum distributions simultaneously. This is possible thanks to the generalized parton distributions (GPDs), which allow us to correlate both types of distributions. The process known as DVCS is the easiest way to access the GPDs. This process can be expressed as the scattering of an electron by a proton by means of a virtual photon with the result of the scattered initial particles plus a real photon. We find a process competing with DVCS known as Bethe-Heitler (BH), in which the real photon is radiated by the lepton rather than the quark. Due to the small cross section of DVCS, of the order of nb, in order to conduct these kind of experiments it is necessary to make use of facilities capable of providing high beam intensities. One of these facilities is the Thomas Jefferson National Accelerator Facility , where the experiment JLab E07-007, “Complete Separation of Virtual Photon and π⁰ Electroproduction Observables of Unpolarized Protons”, took place during the months of October to December of 2010. The main goal of this experiment is the isolation of the contribution from the term coming form the DVCS from the interference term, resulting from the BH contribution. This isolation is known as “Rosenbluth Separation”. The work presented in this thesis focuses on the analysis of the data stored by the electromagnetic calorimeter, employed for the detection of real photons. There is also a a theoretical introduction to the study of the nucleon structure, reviewing the concepts of form factors and parton distributions through elastic and inelastic processes. The computation of the photon leptoproduction cross section is described in detail, as well as the goals of experiment E07-007. This thesis also describes the analysis of the data stored by the electromagnetic calorimeter, with the purpose of obtaining the kinematic variables of the real photons resulting from DVCS reactions. Finally, it describes the selection of events from stored data, the applied cuts to kinematical variables and the background subtraction. Also, the process of extraction of the necessary observables for computing the photon leptoproduction cross section is described, along with the main steps followed to perform the Monte Carlo simulation used in this computation. The resulting cross sections are shown at the end of this thesis.

Introduites au milieu des années 90, les Distributions Généralisées de Partons (GPD) sont aujourd'hui un élément clé dans l'étude de la structure interne du nucléon. Les GPD sont la généralisation des Facteurs de Forme et des Fonctions de Distribution de Partons. Elles englobent la distribution spatiale et la distribution en impulsion des partons à l'intérieur du nucléon, ce qui permet d'en effectuer une tomographie en trois dimensions. De plus, elles permettent d'obtenir le moment orbital angulaire total des quarks grâce à la règle de somme de Ji, ce qui est un élément crucial dans l'élucidation de l'énigme de la structure en spin du nucléon. En décrivant de manière plus complète la structure des hadrons en termes de quarks et gluons, il est possible d'approfondir notre compréhension de la Chromodynamique Quantique. Les GPD sont accessibles expérimentalement à travers les processus d'électro-production exclusifs profonds, et l'un des canaux les plus simples est la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS). Un programme expérimental mondial a été lancé au début des années 2000 afin d'extraire ces GPD. L'expérience DVCS E12-06-114 qui a été effectuée dans le Hall A du Jefferson Laboratory (Virginie, Etats-Unis) entre 2014 et 2016 est incluse dans ce programme. Le but de cette expérience est de mesurer avec grande précision la section efficace DVCS dépendante de l'hélicité en fonction du transfert d'impulsion Q², pour des valeurs fixes de la variable de Bjorken xBj, sur une cible de proton. La récente amélioration à 12 GeV de l'accélérateur permet d'obtenir un bras de levier en Q² plus important que lors des expériences précédentes et de sonder des régions cinématiques encore inexplorées, tandis que le faisceau polarisé d'électrons permet de séparer les contributions des parties réelles et imaginaires de l'amplitude DVCS à la section efficace totale. Dans ce document, un bref résumé du programme expérimental mondial sur l'étude des GPD va être fourni, suivi par la description de l'appareillage et l'analyse des données de l'expérience E12-06-114. Enfin, les résultats des mesures de sections efficaces polarisées et non-polarisées sont présentés et comparés à une sélection de modèles. / Introduced in the mid 90’s, Generalized Parton Distributions (GPDs) are now a key element in the study of the nucleon internal structure. GPDs are a generalization of Form Factors and Parton Distribution Functions. They encapsulate both spatial and momentum distributions of partons inside a nucleon, allowing to perform its three-dimensional tomography. Furthermore, they allow to derive the total orbital angular momentum of quarks through the Ji sum rule, which is a crucial point to unravel the nucleon spin structure. By providing a more complete description of hadrons in terms of quarks and gluons, a deeper understanding of Quantum Chromodynamics can be reached.GPDs are experimentally accessible through deeply exclusive electro-production processes, and one of the simplest channels available is Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS). A worldwide experimental program was started in the early 2000’s to extract these GPDs. The DVCS experiment E12-06-114 performed at Jefferson Laboratory Hall A (Virginia, USA) between 2014 and 2016, is encompassed in this program. The aim of this experiment is to extract with high precision the DVCS helicity-dependent cross sections as a function of the momentum transfer Q², for fixed values of the Bjorken variable xBj, on a proton target. The recent upgrade of the accelerator facility to 12 GeV allows to cover a larger Q² range than in previous measurements and probe yet unexplored kinematic regions, while the polarized electron beam allows the separation of the contributions from the real and imaginary parts of the DVCS amplitude to the total cross section. In this document, a brief summary of the worldwide experimental program for the study of GPDs will be provided, followed by a description of the E12-06-114 apparatus and data analysis. Finally, the results of the unpolarized and polarized cross-section measurements are presented and compared to a few selected models.

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.

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.