Les distributions de parton généralisées (GPD) paramétrisent le contenu non perturbatif du nucléon et peuvent être utilisées pour révéler les corrélations entre position et impulsion des partons en son sein. Elles apparaissent dans l'amplitude de processus d'électroproduction durs et exclusifs comme la Diusion Compton Pronfondément Virtuelle (DVCS) sur le nucléon (ep ! ep°). Le formalisme des GPD a été étendu à des états naux plus généraux avec l'introduction des GPD de transition. De telles fonctions permettent, par exemple, de décrire au niveau partonique la transition entre le nucléon et son premier état excité : la résonance ¢+. Le processus ¢VCS est le plus simple faisant intervenir les GPD de transition N-¢ avec la réaction ep ! e¢+°. D'un point de vue expérimental, cette réaction est étudiée en examinant les états naux eN¼° dans la région du ¢+, cette particule se désintégrant en paires nucléon-pion. Le but de cette étude expérimentale était de statuer sur la faisabilité de la mesure de l'asymétrie de spin du faisceau des réactions ep ! eN¼° et si possible de l'extraire. Les analyses sont basées sur une expérience menée en 2005 avec le détecteur CLAS et l'accélérateur CEBAF du Jeerson Lab (USA). Après l'introduction du formalisme, l'expérience et les analyses de données sont décrites. Les résultats d'asymétrie de spin du faisceau sont montrés et discutés.

La chromodynamique quantique décrit le proton comme étant trois quarks de valence qui baignent dans une mer de paires quarks-antiquarks et de gluons. Un programme expérimental international, dans lequel se place l'expérience PVA4, a pour but de quantifier la contribution des quarks étranges aux distributions de charge et de courant du nucléon. Pour déterminer expérimentalement cette contribution, des expériences de diffusion élastique d'électrons polarisés longitudinalement sur une cible d'hydrogène liquide sont réalisées. Deux types d'interaction interviennent dans ces expériences : l'interaction électromagnétique (échange de photon virtuel), qui domine, et l'interaction faible (échange de boson Z0). La non-conservation de la parité dans l'interaction faible au cours de ces expériences induit une asymétrie du taux de comptage en fonction de l'hélicité des électrons incidents. Une difficulté de ces expériences est qu'elles nécessitent de maîtriser les erreurs systématiques et d'enregistrer de fortes statistiques du fait de la faible asymétrie escomptée (de l'ordre de 10-5 à 10-6 selon l'impulsion transférée). Ce document présente la première séparation de Rosenbluth propre à PVA4 à Q² = 0.23 (GeV/c)². Nous développons le formalisme lié à la violation de parité pour séparer les facteurs de forme étranges. Nous décrivons le dispositif expérimental de PVA4 dédié à la mesure et nous détaillons la technique basée sur la méthode de Monte Carlo pour extraire la contribution étrange. Nous présentons les résultats de l'analyse. Nous montrons alors que la partie électrique étrange est compatible avec la valeur nulle et qu'une contribution non nulle de la partie magnétique étrange est possible.

Le multi-détecteur PANDA (antiProton ANnihilation at DArmstadt) équipera l’anneau de stockage d’antiprotons du complexe d’accélérateurs FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), en construction à Darmstadt et dont les premiers faisceaux sont prévus en 2019. L’expérience cible fixe PANDA est un outil du futur pour la physique hadronique. Avec PANDA, on peut étudier par exemple la spectroscopie des mésons, rechercher de nouveaux états de la matière, comme les boules de glue et les hybrides, étudier la spectroscopie des baryons charmés et multi-étranges, les hypernoyaux, les hadrons dans la matière nucléaire. Les réactions d’annihilation antiproton-proton permettent aussi d’étudier la structure du nucléon, en particulier en utilisant les canaux électromagnétiques de production de paires électron-positron, qui constituent l’objet d’étude de cette thèse. Un problème majeur de l’étude des canaux électromagnétiques, est le bruit de fond hadronique, qui est au moins six ordres de grandeur plus grand que le signal et qui nécessite une excellente identification de particules et une bonne résolution en impulsion. Or, la reconstruction de l’impulsion des électrons et positrons est dégradée par l’émission de photons de Bremsstrahlung le long de leur trace. Dans la première partie de la thèse, j’ai étudié ce problème et développé une méthode, basée sur une correction de l’impulsion des électrons et positrons événement par événement, en utilisant la détection des photons de Bremsstrahlung dans le calorimètre électromagnétique. Cette méthode, qui a été intégrée dans le code de reconstruction officiel de PANDA, PANDAroot, permet une amélioration très significative de la résolution en impulsion des électrons dont peuvent bénéficier toutes les études de canaux de production de paires électron-positron.Dans la deuxième partie, j’ai effectué une étude de faisabilité de la mesure de la réaction antiproton proton → J/Ψ π⁰ dans un modèle utilisant des TDAs (Transition Distribution Amplitudes) pion-nucléon. Les TDAs sont des objets non-perturbatifs qui décrivent la transition entre deux particules différentes. Par exemple, les TDAs pion-nucléon donnent des informations sur les composantes pioniques dans la fonction d’onde du nucléon. Pour cette étude, j’ai utilisé le modèle de TDA pour créer un générateur d’événements, puis j’ai étudié les capacités de réjection du bruit de fond hadronique. L’amélioration de l’efficacité du signal, due à la méthode de correction de Bremsstrahlung a pu aussi être quantifiée. Cette étude pourra être utilisée pour une proposition d’expérience pour PANDA. / The multi-purpose detector PANDA (antiProton Annihilation at Darmstadt) will be built at the antiproton storage ring of the FAIR accelerator complex that is under construction in Darmstadt and is expected to provide its first beam in 2019. The fixed target experiment PANDA is a state of the art hadronic physics detector. With PANDA, one can explore a wide range of topics including meson spectroscopy, search for new states of matter such as glue balls and hybrids, charmed and multi-strange baryon spectroscopy, hyper-nuclei, and properties of hadrons in nuclei. Proton antiproton annihilation reactions will also allow to study the structure of nucleons, in particular by exploiting the electromagnetic channel of electron-positron pair production which is the subject of this thesis.One major problem with studies of electromagnetic channels is the hadronic background with cross-sections at least six orders of magnitude larger than the signal, requiring excellent particle identification and good momentum resolution. However the momentum reconstruction for electrons and positrons is degraded due to the emission of Bremsstrahlung photons along their path. In the first part of this thesis, I studied this problem and developed a method based on the correction of the momentum of electrons and positrons event by event, using Bremsstrahlung photons detected in the electromagnetic calorimeter. This method, which has been integrated into PANDAroot, the official PANDA reconstruction code, provides a significant improvement of momentum resolution for electrons, and will be exploitable by any measurement with electron-positron pair in the exit channel.In the second part, I performed a feasibility study of measuring the reaction antiproton p →J/Ψ π⁰ using predictions from a model based on pion-nucleon TDAs (Transition Distribution Amplitudes). TDAs are non-perturbative objects that describe the transition between two particles of different nature. For example, pion-nucleon TDAs contain information about the pionic components in the nucleon's wave function. For this study, I relied on the TDA model to create an event generator, and studied the capability to reject hadronic background. The improvement of the efficiency for the signal due to the Bremsstrahlung correction method was quantified. This study can be used as basis for a proposal of an experiment with PANDA.

La diffusion Compton virtuelle (DVCS) est un processus idéal pour étudier la structure interne du proton. Cette réaction exclusive permet d’accéder aux distributions de partons généralisées (GPDs) qui encodent les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des partons à l’intérieur du proton. Le DVCS consiste à sonder le proton au moyen d’un photon virtuel de grande virtualité pour produire dans l’état final un unique photon réel de grande énergie tout en laissant le proton intact.A COMPASS au CERN, où deux années de données ont été collectées en 2016 et 2017 afin de mesurer la section efficace du processus DVCS, le photon virtuel est issu de la diffusion d’un faisceau de μ⁺ ou de μ⁻ polarisé de 160 GeV sur une cible d’hydrogène liquide. Toutes les particules de la réaction sont détectées dans l’expérience : le muon incident est détecté dans le télescope du faisceau, le muon diffracté et le photon réel sont détectés à l’avant dans le spectromètre et les trois calorimètres tandis que le proton de recul est détecté dans un détecteur de temps de vol placé autour de la cible.Je présente dans cette thèse l’état de l’analyse du processus DVCS sur les données collectées à COMPASS en 2016. Après un rappel du contexte théorique et expérimental, je décris l’expérience COMPASS. Je détaille ensuite mon travail de calibration du détecteur de proton de recul et de détermination de la position exacte de la cible de 2 cm de diamètre et 2.5 m de longueur. J’étudie dans la partie suivante la sélection de différents canaux de physique permettant de contrôler de manière systématique la qualité des détecteurs : la diffusion profondément inélastique (DIS) qui implique le télescope du faisceau et le spectromètre, la production exclusive de ρ⁰ qui inclut aussi le détecteur de temps de vol ; puis je présente la première analyse de la production exclusive de photons uniques qui implique en plus les trois calorimètres. Dans une dernière partie j’évoque les étapes nécessaires à la détermination de la section efficace du DVCS à partir de cette sélection, et je présente les premiers résultats issus de la simulation associée. / Virtual Compton Scattering (DVCS) is an ideal process to study the internal structure of proton. This exclusive reaction provides access to generalised parton distributions (GPDs), which encode the correlations between longitudinal momentum and transverse position of partons inside the proton. DVCS consists in probing a proton with a virtual photon of high virtuality, in order to produce a single high energy real photon while leaving the proton intact in the final state.At COMPASS at CERN, where two years of data were collected in 2016 and 2017 to measure the DVCS cross section, the virtual photon is produced by scattering of a 160 GeV polarised μ⁺ or μ⁻ beam on a liquid hydrogen target. All particles are detected in the experiment: the incident muon is detected in the beam telescope, the diffracted muon and the real photon are detected in the forward spectrometer and the three calorimeters, while the recoil proton is detected in a time-of-flight detector positioned around the target.In this thesis I present the state of the analysis of the DVCS process on the data collected at COMPASS in 2016. After a reminder of the theoretical and experimental context, I describe the COMPASS experiment. I then detail my work on calibrating the recoil proton detector and determining the the exact position of the 2 cm diameter and 2.5 m long target. In the next section, I study the selection of different physics channels used to systematically control detector quality: Deep Inelastic Scattering (DIS) which involves the beam-telescope and spectrometer, exclusive ρ⁰ production which requires the addition of the time-of-flight detector and I follow with the first analysis of the exclusive single photon production which depends as well on the calorimetres quality. In a last part, I discuss the necessary steps needed to extract the DVCS cross-section out of this event selection, and present the first results associated to the Monte-Carlo simulation.

L'étude de la structure du nucléon est actuellement l'un des principaux défis rencontrées en physique nucléaire. Le présent travail représente une contribution à l'étude de la structure du nucléon et consiste, en particulier, à étudier le rôle des quarks étranges dans le nucléon. Ce dernier peut être examiné en déterminant la distribution des quarks étranges dans le nucléon ainsi que la contribution des spins des quarks étranges au spin du nucléon ($\Delta s$). Ce travail présente une mesure de $\Delta s$ effectuée en utilisant des données de diffusion profondément inélastique de muons polarisés sur une cible de protons et de deutons polarisés, collectées par la collaboration COMPASS. Le résultat dépend fortement des fonctions de fragmentation des quarks en hadrons, qui définissent la probabilité qu'un quark d'une certaine saveur se fragmente en un hadron dans l'état final. Actuellement, les fonctions de fragmentation sont mal connues, en particulier, la fonction de fragmentation des quark étranges en kaons, qui joue un rôle essentiel dans la détermination de $ \Delta s$. En diffusion profondément inélastique, l'accès à ces fonctions est assuré par les multiplicités des hadrons qui, à leur tour, définissent le nombre moyen de hadrons produit par évènement de diffusion inélastique. Les multiplicités des pion et des kaons ont été extraites en fonction de différentes variables cinématiques, en utilisant les données de COMPASS. Une première extraction au leading order des fonctions de fragmentation des pions et des kaons est présentée. / Understanding the nucleon structure is currently one of the main challenges encountered in nuclear physics. The present work represents a contribution to the study of the nucleon structure and deals, in particular, with the study of the role of strange quarks in the nucleon. The latter can be investigated by determing the strange quark distribution in the nucleon as well as the contribution of the spins of strange quarks to the nucleon spin ($\Delta s$). This work first presents a measurement of $\Delta s$ performed via Deeply Inelastic Scattering of a muon beam off polarized proton and deuterium targets. The result is found to be strongly dependent on the quark fragmentation functions into hadrons (FFs), which define the probability that a quark of a given flavour fragments into a final state hadron. The FFs are poorly known, in particular, the FF of strange quark into kaons, which play an important role in the determination of $\Delta s$. In deep inelastic scattering process, the access to the FFs is provided by the hadron multiplicities which, in turn, define the average number of hadrons produced per DIS event. Pion and kaon multiplicities have been extracted versus different kinematic variables, using DIS data collected by deeply inelastic scattering of a $160$ GeV muons off a deuterium target. A first LO extraction of the fragmentation functions has then been performed using the measured pion and kaon multiplicities.

L'expérience E89-044, réalisée dans le Hall A du Jefferson Lab, a mesuré les sections efficaces de la réaction 3He(e,e'p).<br> L'extraction des fonctions de réponse longitudinale et transverse de la réaction de désintégration à deux corps 3He(e,e'p)d en cinématique parallèle doit permettre l'étude des propriétés électromagnétiques du proton à l'intérieur du noyau d'3He ainsi que des mécanismes nucléaires mis en jeu au-delà de la description en ondes planes, pour des impulsions manquantes de 0 et +- 300 MeV/c et des quadrimoments transférés de 0.8 à 4.1 GeV2. Les sections efficaces préliminaires ont été obtenues après calibration du dispositif expérimental en utilisant une méthode d'ajustement des modèles théoriques intégrés sur l'espace de phase expérimental à l'aide d'une simulation Monte-Carlo. L'erreur systématique de 8% sur les sections efficaces est principalement liée à la normalisation absolue de la densité de la cible : l'analyse des données en diffusion élastique permettra de réduire cette erreur. Les résultats préliminaires font apparaître certains désaccords avec les prédictions théoriques pour les cinématiques aux angles avant à petite impulsion manquante (<100 MeV/c), notamment à grands Q2, et des comportements sensibles aux effets d'interaction dans l'état final ainsi qu'aux fonctions d'ondes de l'3He utilisées pour les impulsions manquantes voisines de 300 MeV/c. La séparation des composantes longitudinale et transverse déjà amorcée devrait contraindre plus fortement les modèles.

Les expériences de violation de parité, dont G0, mesurent des asymétries en dffusion élastique d'électrons polarisés sur le nucléon. Combinées avec les mesures des facteurs de forme électromagnétique, elles permettent d'extraire la contribution des quarks étranges aux distributions de charge et de courant dans le nucléon. Ce manuscrit présente le principe et le dispositif de l'expérience G0 ainsi que les résultats de sa première période d'ingénierie. Les asymétries de taux de comptage mesurées sont de l'ordre de 10-5, avec précision attendue de 10-7, et correspondent à une large gamme en moment transféré (Q2 =0,1 à 1 (GeV/c)2). Un algorithme a été développé pour corriger 90% des pertes dues au temps mort de l'électronique et permet de réduire les fausses asymétries associées au niveau de quelques 10-8. Une méthode a été définie pour déterminer les valeurs de Q2 mesurées avec une précision de 1%. Les résultats préliminaires des mesures d'asymétrie de violation de parité sont présentés.

Le nucléon est décrit par QCD comme étant constitué de trois quarks de valence (de saveur up et down) et d'une mer constituée de gluons et de paires de quark – antiquark de toutes saveurs. Le quark étrange est le meilleur candidat pour l'étude de cette mer dont la contribution à la structure du nucléon est à l'heure actuelle mal connue. Il est en effet le plus léger des quarks n'ayant pas de contribution de valence. Expérimentalement, cette étude est effectuée dans trois secteurs différents reliés à la masse, aux distributions de charge et de courant du nucléon, et au spin du nucléon. Cette thèse présente les expériences G0 au laboratoire Thomas Jefferson (USA) et SAMPLE au laboratoire MIT-Bates qui mesure l'asymétrie de violation de parité en diffusion élastique d'électrons polarisés sur une cible de nucléons. De ces mesures, il est possible d'extraire la contribution étrange aux distributions de charge et de courant dans le nucléon ainsi que le facteur de forme axial du nucléon. Dans ce manuscrit, nous décrivons le formalisme relatif à la sonde électrofaible et donnons également un panorama des différentes prédictions théoriques. Nous avons étudié l'origine des changements systématiques des propriétés du faisceau d'électrons et développé des systèmes de correction permettant de réduire leurs effets au niveau de l'expérience. Nous détaillons le dispositif expérimental de l'expérience G0 ainsi que les études de bruit de fond et leurs implications sur la stratégie expérimentale. Nous présentons finalement le dispositif expérimental de l'expérience SAMPLE et l'analyse des données qui a permis de déterminer le facteur de forme axial du nucléon. Cette quantité est peu contrainte par les prédictions théoriques dû aux contributions des ordres supérieurs de diffusion difficilement calculables théoriquement. Ce facteur de forme intervenant dans la mesure d'asymétrie de violation de parité, sa détermination expérimentale est importante.

La compréhension de la structure interne des nucléons est un des enjeux majeurs de la physique hadronique. Dans le cadre de la Chromodynamique Quantique (QCD), cette structure est décrite comme la somme de trois quarks de valence et d'une mer de paires de quarks-antiquarks et de gluons. Dans le but de caractériser l'effet de la mer, un vaste programme expérimental s'intéresse à la contribution du quark étrange aux propriétés des nucléons (masse, spin, impulsion... ) depuis les années 1990. Cette thèse présente en particulier les résultats obtenus par la collaboration G0 pour la mesure de la contribution du quark étrange aux distributions spatiales de charge et de courant au sein du nucléon. Ces distributions sont associées à des observables appelées facteurs de forme. La contribution étrange à ces derniers est accessible par la mesure d'asymétries de violation de parité en diffusion quasi-élastique d'électrons sur des cibles de proton et de deutérium, pour des angles de diffusion avant et arrière. Ce mémoire décrit l'analyse des données mesurées aux angles arrière pour les deux cibles et aux valeurs de quadrimoment transféré de 0.23 et 0.63 (GeV/c)2. Le formalisme qui permet d'accéder aux facteurs de forme électromagnétiques est présenté dans un premier temps, avant d'aborder la description du dispositif expérimental mis en oeuvre pour la mesure. L'analyse des données pour obtenir les asymétries est ensuite décrite en détail, et une attention particulière est portée à la correction des effets liés au fonctionnement de l'électronique, qui constitue une des principales contributions aux effets systématiques. Dans une dernière partie, l'extraction de la contribution étrange est effectuée à partir des données de l'expérience G0 aux angles avant et arrière, et est comparée aux données mondiales.

L'interaction forte, qui permet de lier entre eux les quarks afin de former les nucléons, est assez bien décrite par la chromodynamique quantique (QCD) à très haute énergie lorsque les quarks sont quasiment libres. Mais cette interaction, qui permet aussi de lier les nucléons entre eux pour former les noyaux, est incalculable à basse ou moyenne énergie lorsque les quarks sont confinés. La physique des énergies intermédiaires essaye de comprendre comment les caractéristiques des nucléons ou mésons, ainsi que leur interaction effective, peuvent s'expliquer à partir des quarks et interactions de QCD. C'est dans ce cadre que je travaille depuis mon entrée au CNRS il y a maintenant 15 ans. Ma première activité a été la construction et l'utilisation d'un polarimètre à deuton qui a été utilisé au Laboratoire National SATURNE pour diverses expériences avec des hadrons de basses énergies, et plus récemment au Thomas Jefferson National Laboratory aux États-Unis pour l'expérience $t_{20}$. Puis je me suis engagé ces 10 dernières années dans la mesure du quark étrange dans les propriétés électromagnétiques du nucléon. Le Thomas Jefferson National Laboratory (TJNAF aussi appelé JLab pour Jefferson Laboratory) héberge l'accélérateur d'électrons de dernière génération CEBAF (Continuous Electron Beam Facility) qui est capable de produire des faisceaux de haute énergie (jusqu'à 6 GeV), très intenses et avec une très grande polarisation. C'est grâce à des accélérateurs comme celui-ci qu'a été possible le développement des expériences de mesure de violation de parité en diffusion d'électron. En 1998, la collaboration $G^{0}$ a commencé la construction d'un détecteur dédié à ce genre de mesures, avec comme objectif de séparer les contributions du quark étrange à la structure électrique et magnétique des nucléons. Deux laboratoires en France étaient engagés dans cette collaboration et avaient en charge la construction de la moitié du détecteur et de l'électronique associée pour la première phase de cette expérience qui s'est déroulée entre 2002 et 2005. Parallèlement, le LPSC Grenoble a développé de nouveaux détecteurs ainsi que leur électronique pour la deuxième phase de ce programme qui s'est déroulée entre 2001 et 2009. Dans le premier chapitre, j'expose le formalisme qui permet d'accéder à la contribution des quarks étranges puis, après une présentation des techniques expérimentales de violation de parité pour mesurer cette contribution, je décris les différentes expériences en diffusion d'électron. Dans le chapitre expérimental, je me concentre sur l'expérience $G^{0}$ qui a été mon activité de recherche dominante des 11 dernières années. Le chapitre 4 est consacré au bilan de 15 ans de programme expérimental dans ce domaine et présente ce que l'on sait aujourd'hui à partir de toutes ces mesures.