Les Distributions de Partons Généralisées (GPDs) encodent les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des partons dans les hadrons et permettent d'imager la structure du nucléon en 2+1 dimensions. Elles ont été étudiées théoriquement et expérimentalement pendant deux décennies et une nouvelle ère expérimentale débute actuellement (à Jefferson Lab et COMPASS, mais aussi à l'avenir à un collisionneur électron-ion) pour les extraire avec grande précision. La difficulté est que seul un accès expérimental indirect est possible, à travers divers canaux de diffusion exclusive et les observables associés. Cela implique de prendre nécessairement en compte les nombreuses contraintes théoriques si l'on veut concevoir des modèles fiables pour la phénoménologie. En particulier, deux contraintes cruciales sont les propriétés de "polynomialité" et de "positivité". L'approche de cette thèse consiste à tirer partie des deux propriétés en modélisant d'abord les fonctions d'onde sur le cône de lumière des premiers états de Fock du nucléon, permettant d'obtenir une GPD dans la région appelée DGLAP via overlap où le nombre de partons est conservé, puis l'étendre de manière covariante à la région ERBL, avec une inversion de transformée de Radon. In fine, le but est d'appliquer cette procédure à un modèle de quark-constituant pour GPDs de valence, ce qui permettrait de produire de manière inédite pour ce genre de modèle des résultats à comparer à l'expérience (sur le processus de diffusion Compton profondément virtuelle en l’occurrence). Pour atteindre cette objectif, on utilise la librairie PARTONS sous différentes hypothèses perturbatives. / Generalized Parton Distributions (GPDs) encode the correlations between longitudinal momentum and transverse position of partons inside hadrons and can give access to a picture of the nucleon structure in 2+1 dimensions. They have been studied theoretically and experimentally for almost two decades and a new experimental era is starting (at JLab and COMPASS currently, and in the future at an EIC) to extract them. The difficulty is that only an indirect experimental access is so far possible, through different exclusive channels and various observables. Therefore, one has to take into account the many theoretical constraints to be able to produce accurate models and rely on their phenomenology. Two important constraints are called the polynomiality and positivity properties. The approach of this thesis is to make use of both of them by first modeling low Fock states light-front wave-functions, which gives a GPD in the DGLAP region by a parton number conserved overlap, and then covariantly extending this GPD to the ERBL region, through an inverse radon transform. In fine, the goal is to apply this on a constituent quark-like model for valence GPDs, which would allow to produce a phenomenological output (on DVCS data for instance) from this kind of models, which was impossible before. We make use of the versatile PARTONS framework to achieve this under various perturbative QCD assumptions.

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.

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.

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. / The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.

Définies aux milieux des années 1990, les distributions de partons généralisées (GPDs) représentent un degré d'information supérieur aux facteurs de formes et fonctions de distributions de partons: en effet elles conservent la corrélation entre fraction d'impulsion longitudinale et position transverse des partons dans le nucléon. Par conséquent les GPDs permettent d'accéder à la distributions des partons dans le plan transverse en fonction de leur impulsion longitudinale. De plus il est possible de calculer le moment orbital angulaire total des quarks par le biais de la règle de somme de Ji. Nous accédons expérimentalement aux GPDs par des observables liées à des processus exclusifs (asymmétries, sections efficaces,...). Un programme expérimental mondial a commencé au début des années 2000 afin de caractériser les GPDs. Ce document décrit l'analyse de données de deux expériences réalisées en 2004 et 2010 dans le Hall A au laboratoire Jefferson en Virginie. A partir des données de 2004, nous avons extrait les sections efficaces d'électroproduction de photon polarisées et non polarisées. Une étude approfondie des erreurs systématiques a significativement améliorée la qualité des résultats. Ces derniers semblent indiquer la nécessité de prendre en compte les corrections de cible massive et de transfert d'impulsion fini jusqu'au twist-4. A partir des données 2010, nous avons réalisé pour la première fois une séparation des réponses longitudinale et transverse de l'électroproduction de pions neutres. Les résultats ont confirmé l'hypothèse d'une contribution transverse significative bien qu'étant de twist supérieur par rapport à la contribution longitudinale. Ces données de haute précision, que ce soit pour le photon ou le pion neutre, valident le formalisme des GPDs et permettront d'affiner les modèles afin de réaliser la tomographie 3D du nucléon. / Defined in the mid 90's, the generelized parton distributions (GPDs) represent a higher level of information than the form factors and parton distribution fuctions: indeed they encapsulate the correlation between the fraction of longitudinal momentum and the transverse position of the partons inside the nucleon. Consequently we can access the distribution of the partons in the transverse plane according to their longitudinal momentum. Moreover we can derive the total angular orbital momentum of quarks thanks to Ji's sum rule. Experimentally, we access the GPDs through the study of deep exclusive processes (asymmetries, cross sections,...). A worldwide experimental program started in the early 2000's. This thesis presents two data analyses carried on two data sets from experiments running at Jefferson laboratory - Hall A in 2004 and 2010. From the 2004 data set, we have extracted unpolarized and polarized photon electroproduction cross sections. A careful study of the systematic errors has greatly improved the quality of the results. They seem to indicate the necessity to take into account target-mass and finite-t corrections up to twist-4. From the 2010 data set, we have performed the first separation of the longitudinal and transverse responses of neutral pion electroproduction. The results confirm the assumption of a significant contribution of the transverse response although kinematically suppressed with respect to the longitudinal response. These results of high precision validate the GPD approach and will allow to improve the existing models.

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.