La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

Au cours des prochaines années les expériences au grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN vont explorer méticuleusement les lois fondamentales de la physique des hautes énergies à une énergie qui n'a jamais été atteinte auparavant. Afin de compléter les recherches du LHC, plusieurs projets de Collisionneur Linéaire (CL) de lepton de prochaine génération utilisant des collisions e+ - e- ont été proposé pour permettre des études de haute précision. Dans ce cadre il existe deux grands projets: le collisionneur linéaire international (ILC) pour explorer une plage d'énergie dans le centre de masse de s = 0.5 - 1 TeV et le collisionneur linéaire compact (CLIC) qui devrait fonctionner à s = 0.5 - 3 TeV. Le programme de physique du futur CL profitera grandement de collisions où les deux faisceaux seront polarisés. Cette thèse présente la source de positrons polarisés qui est un élément clef du future CL. Dans ce contexte, les différents concepts de source de positrons polarisés sont présentés en mettant en avant les principaux défis technologiques. Plus spécifiquement, le centre d'intérêt principal est sur la source de positrons Compton adoptée par CLIC comme option préférée pour l'amélioration de la future source de positrons. Dans cette source, les rayons gamma de haute énergie produits par diffusion Compton sont envoyés sur une cible où les interactions électromagnétiques produisent des positrons dans des e+ - e- . Pour améliorer l'efficacité de l'étape de production de rayons gamma, une ligne de multiples points de collisions est proposée intégrée à un linac à récupération d'énergie. Les simulations de la production de positrons, de leur capture et de leur accélération initiale permettent d'estimer l'efficacité de production de positrons et de fournir une paramétrisation simple de la source de positrons polarisés basée sur l'interaction Compton dans la perspective des besoins futurs du CL. L'option d'une source Compton basée sur un anneau de stockage appelé anneau Compton est aussi décrite. La principale contrainte de ce concept provient de la dynamique faisceaux à cause de la grande dispersion en énergie et l'augmentation de la longueur du paquet ce qui affecte le taux de production des rayons gamma. Une contribution théorique originale est présentée pour calculer la dispersion en énergie induite par la diffusion Compton. De plus, une expérience pour tester la production de rayons gamma par diffusion Compton en utilisant un système laser au fait de la technologie et développé au LAL est en cours dans le cadre du projet "MightyLaser" à l'ATF, KEK. La configuration expérimentale ainsi que les résultats principaux obtenus sont discutés en détails. Les recherches décrites dans cette thèse montrent que la source de positrons polarisés basée sur la diffusion Compton est un candidat prometteur pour la source de positrons polarisés du futur CL. Pour atteindre les performances requises des travaux supplémentaires et de la R&D sont nécessaires dans le domaine des lasers de puissance, des cavités optiques et des accélérateurs d'électrons à fort courant tels que les linacs à récupération d'énergie.

Les Distributions de Partons Généralisées (GPDs), dont le formalisme a été introduit dans les années 1990, offrent la plus complète description de la structure (en quarks et gluons) du nucléon à ce jour. La Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), qui correspond à l'électroproduction exclusive "dure" de photons sur le nucléon, est un processus clef parmi les réactions donnant accès aux GPDs. Une expérience dédiée à l'étude du DVCS s'est déroulée en 2005 avec le détecteur CLAS de Jefferson Lab, en utilisant un faisceau d'électrons polarisés de 5,776 GeV et une cible d'hydrogène. Pour cette expérience, nous avons construit et utilisé un calorimètre électromagnétique dédié capable de détecter le photon de l'état final. Les données acquises nous ont permis d'étudier le DVCS sur le plus vaste domaine cinématique jamais accédé pour cette réaction jusqu'à présent : 1 < Q² < 4,6 GeV², 0,1 < xB < 0,58, 0,09 < -t < 2 GeV². Les travaux réalisés au cours de cette thèse incluent notamment des travaux de simulation effectués dans le cadre de la préparation de l'expérience, l'étalonnage en temps d'un des sous-systèmes de CLAS, et l'analyse des données dont l'objectif a été l'extraction des sections efficaces non polarisées de la réaction étudiée et de la différence des sections efficaces polarisées, cette dernière observable étant linéairement proportionnelle aux GPDs. Les résultats obtenus sont confrontés aux calculs théoriques du DVCS basés sur une des paramétrisations des GPDs les plus abouties à ce jour.

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.

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.

Cette thèse, articulée en deux parties, présente le calcul des corrections radiatives à la diffusion Compton virtuelle (VCS) et décrit la méthode magnétique (projet ARC) adoptée dans le Hall A à Jefferson Lab. pour mesurer l'énergie absolue du faisceau d'électrons avec une précision de 10-4.<br /><br />Les expériences de diffusion Compton virtuelle nous permettent d'accéder à de nouvelles observables du proton : les polarisabilités généralisées. L'extraction de ces polarisabilités s'effectuant par comparaison des sections efficaces expérimentale et théorique, il est indispensable de contrôler avec une grande précision les erreurs systématiques et les effets radiatifs liés à l'expérience. Un calcul complet des corrections radiatives internes a donc été mené dans le cadre de l'électrodynamique quantique. Ce calcul inédit tient compte de tous les graphes contribuant à l'ordre alpha^4 au niveau de la section efficace à l'exception de ceux mettant en jeu l'échange de deux photons entre les bras leptonique et hadronique ainsi que ceux relatifs au rayonnement du proton. La méthode de régularisation dimensionnelle a été employée pour le traitement des divergences ultraviolettes et infrarouges. Après utilisation d'une procédure d'addition-soustraction, la compensation infrarouge est vérifiée. Nous avons privilégié le calcul analytique pour les intégrales les plus internes et avons eu ensuite recours à un traitement numérique spécifique. Les résultats présentés correspondent aux différentes cinématiques de l'expérience VCS qui s'est déroulée à TJNAF en 1998. <br /><br />La méthode de mesure absolue d'énergie que nous avons développée s'appuie sur la déviation magnétique, constituée de huit dipôles identiques, conduisant le faisceau de l'accélérateur au hall A expérimental. L'énergie est déterminée à partir de la mesure absolue de l'angle de déviation du faisceau dans le plan horizontal et de la mesure absolue de l'intégrale de champ magnétique le long de la déviation magnétique. La mesure de l'angle de déviation se décompose en une mesure ponctuelle d'un angle de référence (par une méthode optique d'autocollimation) et en une mesure « en ligne » des déviations angulaires du faisceau par rapport à cet angle de référence (utilisation de quatre profileurs à fil : une paire en amont et une paire en aval de l'arc). L'intégrale de champ absolue le long de la déviation résulte, elle, de la mesure ponctuelle de la somme des intégrales de champ relatives des huit dipôles de l'arc par rapport à un aimant de référence et de la mesure « en ligne » de l'intégrale de champ de cet aimant de référence alimenté en série avec les huit autres de l'arc.

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.

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. / The structure of the nucleons and of the nuclei was actively studied during the twentiethcentury through electron elastic scattering (measuring the electromagnetic formfactors) and deep inelastic electron scattering (measuring the parton distributions). Theformalism of generalized parton distributions (GPD) achieved the unification of the formfactors and the parton distributions. This link gives a source of information about partondynamics, such as the distribution of nuclear forces and orbital momentum insidehadrons. The easiest experimental access to the GPD is the deeply virtual Comptonscattering (DVCS), which corresponds to the hard electroproduction of a real photon.While several experiments focussed on DVCS off the nucleon, only a few experimentsstudied DVCS off a nuclear target. This thesis is dealing with the study of the coherentchannel of DVCS off helium 4, with the aim to extract the real and imaginary parts ofthe Compton form factor thanks to the beam spin asymetry.

Ce travail présente la mesure des polarisabilités généralisées (GPs) électrique αE(Q2) et magnétique βM(Q2) du proton à Q2 =0.2 GeV 2. Les GPs sont définies dans le contexte de la diffusion Compton virtuelle (VCS), γ*p → γp, où Q2 est le quadri-moment de transfert du photon virtuel. Les GPs sont la généralisation des polarisabilités mesurées en diffusion Compton réel (RCS) en considérant leur dépendance en Q2. Ce sont des propriétés dynamiques du proton définissant sa déformation lorsqu'un champ électromagnétique lui est appliqué. αE(Q2) (ou βM(Q2)) donne accès à la densité de polarisation (magnétisation) locale du proton déformé. L'effet des GPs ne contribuant qu'à 1 – 15 % de la section efficace ep → epγ une mesure de haute précision est requise. Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une expérience conduite par la collaboration A1 de MAMI à trois valeurs inédites de Q2 : 0.1,0.2 et 0.45 GeV 2. L'analyse de premier niveau comporte une calibration détaillée des données expérimentales et l'utilisation d'une simulation de l'expérience. L'extraction des GPs requiert la mesure et la renormalisation des sections efficaces ep → epγ et la correction des effets radiatifs. Les résultats obtenus par le fit « LEX » et « DR » sont en très bon accord. / This work presents the measurement of the generalized electric αE(Q2) and magnetic βM(Q2) polarisabilities (GPs) of the proton. The GPs are defined in the Virtual Compton Scattering (VCS) context, i.e. the reaction γ*p → γp where Q2 is the four-momentum transfer of the virtual photon. The GPs are a generalization of polarizabilities measured in real Compton scattering (RCS) by taking into account the Q2-dependency. They are dynamical properties of the proton when it is deformed by an applied electromagnetic fiels. αE(Q2) (or βM(Q2)) gives access to the local polarization (or magnetization) density of the deformed proton. The studied VCS process is accessible by the photon-electroproduction reaction (ep → epγ). The GP effect is a 1 – 15 % contribution to the ep → epγ cross section, requiring a high-precision mleasurement. The present work is a part of an experiment conducted by the A1 collaboration at MAMI at three new Q2 values : 0.1,0.2 and 0.45 GeV 2. This thesis details the extraction at 0.2 GeV 2. The experiment uses the 1 GeV electron beam, the 5 cm liquid hydrogen target and spectrometers A (B) to detect the final electron (proton). The first-level analysis includes a detailed calibration of experimental data, and the use of a simulation of the experiment. The measurement of the unpolarized ep → epγ cross section is described with two of its important features : the correction of the radiative effects and the renormalization. Two differents frameworks are used to extract the GPs : the Low Energy Theorem (LET) and the dispersion relation model (DR). The two extractions lead to results in good argument. The world data still raises question about the Q2-behavior of the Gps.