Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / Thèse d'agrégation / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Lorsque fortement focalisées, les impulsions laser de haute puissance génèrent des champs électromagnétiques d’amplitude gigantesque. Ces derniers peuvent être mis à profit pour accélérer des électrons à une grande énergie sur une très courte distance. Les progrès récents dans le domaine des lasers de haute puissance laissent ainsi entrevoir des perspectives excitantes dans le développement d’une nouvelle génération d’accélérateurs laser qui seraient beaucoup plus compacts et moins dispendieux que les accélérateurs d’électrons conventionnels. Parmi les différents schémas d’accélération laser proposés, l’utilisation d’impulsions laser de polarisation radiale s’avère prometteuse. Cette méthode tire profit de la composante longitudinale du champ électrique au centre d’un faisceau laser de type TM01 afin d’accélérer des électrons le long de l’axe optique. L’objectif spécifique du projet de doctorat présenté dans cette thèse est d’étudier l’accélération d’électrons par impulsions TM01 dans le régime des impulsions ultrabrèves et fortement focalisées. Dans ces conditions extrêmes, les impulsions laser doivent impérativement être modélisées à l’aide de solutions exactes aux équations de Maxwell. Nous présentons d’abord une technique permettant d’obtenir une solution exacte sous forme fermée aux équations de Maxwell pour décrire le champ électromagnétique de l’impulsion TM01. Cette solution exacte nous permet de modéliser rigoureusement la dynamique en régime d’impulsions ultrabrèves et fortement focalisées et d’en faire ressortir les caractéristiques intéressantes. Il est également mis en évidence qu’une solution exacte pour le champ électromagnétique n’est pas seulement utile en régime non paraxial, mais qu’elle est également nécessaire pour modéliser correctement la dynamique dans des conditions de faible focalisation. Une partie de cette thèse s’intéresse finalement à une application intéressante de l’accélération par impulsions TM01 ultrabrèves et fortement focalisées, soit la production d’impulsions ultrabrèves d’électrons sous-relativistes. À l’aide de simulations particle-in-cell, nous démontrons la possibilité d’accélérer des impulsions d’électrons d’une durée de l’ordre de la femtoseconde à quelques centaines de keV d’énergie lorsqu’une impulsion TM01 de quelques centaines de gigawatts est focalisée dans un gaz de faible densité. Étant situées dans la fenêtre énergétique adéquate, ces impulsions d’électrons pourraient permettre d’améliorer significativement la résolution temporelle dans les expériences d’imagerie atomique et moléculaire par diffraction électronique ultrarapide. / When focused on a tiny spot, high-power laser pulses generate gigantic electromagnetic fields. Under these strong field conditions, charged particles can be accelerated up to high energies over short distances. Recent advances in high-power laser technology hint at exciting new possibilities in the development of a new generation of laser-driven electron accelerators that are expected to offer a robust, compact, and low-cost alternative to conventional linear accelerators. Among the many proposed laser-driven acceleration schemes, the use of radially polarized laser pulses is very promising. In this method, the electrons are accelerated along the optical axis by the strong longitudinal electric field component at the center of a TM01 beam. The main objective of this thesis is to investigate electron acceleration driven by TM01 pulses under ultrashort pulse and strong focusing conditions. In this nonparaxial and ultrashort pulse regime, the laser pulses must be rigorously modeled as exact solutions to Maxwell’s equations. We first present the tools that are used to obtain an exact closed-form solution to Maxwell’s equations for a TM01 pulse. This exact solution allows us to accurately model the acceleration process and to highlight several interesting properties of the dynamics in the nonparaxial and ultrashort pulse regime. It is also shown that an exact solution is not only useful to investigate electron acceleration under nonparaxial conditions, but also necessary to correctly describe the dynamics in the weak focusing limit. A part of this thesis is also concerned with an interesting property of the acceleration driven by ultrashort and tightly focused TM01 pulses, namely the generation of ultrashort bunches of subrelativistic electrons. Using particle-in-cell simulations, we demonstrate the possibility of generating one-femtosecond electron pulses at few-hundred-keV energies when a few-hundred-GW TM01 pulse is tightly focused in a low-density gas. Since they are located in the appropriate energy window, these electron pulses could potentially lead to a significant improvement in the time resolution of atomic and molecular imaging experiments based on ultrafast electron diffraction.

Dans cette thèse nous expliquons comment pourraient être produites, dans le vide, des impulsions d'électrons relativistes ultrarapides. Le schéma d'accélération proposé tire profit du champ électrique longitudinal d'un faisceau laser spécial nommé faisceau TMQI ("TM" pour "Transverse Magnetic"). En résolvant les équations de Maxwell-Lorentz dépendantes du temps, il apparaît qu'un nuage d'électrons initialement au repos à l'étranglement d'une impulsion TMOi de quelques cycles peut potentiellement être accéléré à des énergies relativistes. Pour des puissances laser multitérawatt (1012 W) - le seuil pour que des accélérations notables se produisent - des énergies cinétiques allant d'une dizaine de keV à quelques dizaines de MeV sont prédites. Les électrons ainsi accélérés formeraient, sur l'axe du faisceau laser, un dense paquet faiblement divergent dont la durée atteindrait, dans certains cas, quelques centaines de zeptosecondes (10~21 s). Le problème de l'accélération en cascade est aussi abordé : il est démontré qu'ainsi des énergies de l'ordre du GeV seraient accessibles avec des puissances laser pétawatt (1015 W). Ces impulsions brèves d'électrons relativistes pourraient trouver de multiples applications biomédicales et scientifiques, notamment en ce qui concerne la production de rayons X pour la radiothérapie et, éventuellement, pour sonder des phénomènes atomiques et subatomiques avec une résolution temporelle sans précédent.

Par sa symétrie singulière, une impulsion laser de polarisation radiale de type TM₀,₁ a la particularité de développer un important champ électrique longitudinal, soit une composante de champ oscillant dans la direction de l'axe optique, dans un contexte de forte focalisation. Cet attribut lui permet d'être particulièrement bien adaptée à l'accélération de particules chargées dans le vide. Un électron se trouvant sur le passage d'une impulsion TM₀,₁ suffisamment puissante peut se synchroniser avec un demi-cycle optique du champ longitudinal et être entraîné avec ce dernier pour ainsi acquérir une énergie substantielle - ce mécanisme est généralement nommé accélération directe ou accélération sous-cycle. Ce schéma d'accélération est caractérisé par une complication inévitable ; tout faisceau laser, peu importe son état de polarisation, subit une déformation de la porteuse en traversant la région focale. Cette déformation, connue sous le nom de déphasage de Gouy, a pour effet de condamner les électrons à une désynchronisation hâtive avec l'impulsion laser, nuisant ainsi à un transfert optimal d'énergie. L'idée de base de ce projet de doctorat est donc la suivante : nous souhaitons diminuer la variation totale du déphasage de Gouy d'une impulsion de type TM₀,₁ sur l'axe optique afin de faciliter l'accord de phase entre les électrons et le champ, et ainsi améliorer les performances énergétiques de l'accélération directe d'électrons. Toutefois, au moment d'entamer ce doctorat, la valeur du déphasage de Gouy total des différentes composantes vectorielles du faisceau TM₀,₁ fortement focalisé est encore incomplètement établie. La première partie de ce projet est donc consacrée à la compréhension des résultats disparates présents dans la littérature à ce sujet. En proposant un formalisme unificateur, nous montrons que la valeur totale du déphasage de Gouy de la composante longitudinale est toujours de 2π sur l'axe optique. Considérant cette valeur a priori immuable, la seconde partie de ce projet consiste à trouver un moyen de la réduire. Cela est fait en développant une famille de solutions aux équations de Maxwell, à l'aide des intégrales de Richards et Wolf, ayant le profil d'intensité et l'état de polarisation d'un faisceau TM₀,₁, mais ayant un déphasage de Gouy ajustable. En utilisant ce nouveau type d'impulsion dans des simulations numériques d'accélération d'électrons pour différentes valeurs de déphasage de Gouy total, nous montrons qu'il s'agit d'un paramètre décisif dans le processus d'accélération sous-cycle et que la diminution de cette valeur est toujours avantageuse du point de vue énergétique. / Due to its singular symmetry, a TM₀,₁ radially polarized laser pulse has the particularity of developing a strong longitudinal electric field, i.e. a field component oscillating in the direction of the optical axis, in a context of strong focusing. This attribute makes it particularly well suited to accelerate charged particles in vacuum. An electron in the path of a sufficiently strong TM₀,₁ pulse can be synchronized and trapped in a single half-cycle of the longitudinal field to acquire substantial energy - this mechanism is generally referred to as direct acceleration or sub-cycle acceleration. This acceleration scheme is characterized by an unavoidable complication; any laser beam, regardless of its polarization state, undergoes a deformation of the carrier as it passes through the focal region. This deformation, known as the Gouy phase shift, causes the electrons to get preemptively out of sync with the pulse, thus hindering optimal energy transfer. The idea behind this PhD project is the following; we want to decrease the total Gouy phase variation of a TM₀,₁-like pulse on the optical axis in order to facilitate the phase matching between the electrons and the field, and thereby improve the energetic performances of direct electron acceleration. However, at the beginning of this project, the value of the total Gouy phase shift of the different vector components of the strongly focused TM₀,₁ beam is still not fully established. The first part of this project is therefore devoted to understanding the disparate results in the literature on that matter. By proposing a unifying formalism, we show that the total value of the Gouy phase shift for the longitudinal component is always 2π on the optical axis. Considering this a priori unchangeable value, the second part of this project is to find a way to reduce it. This is done using Richards and Wolf integrals to develop a family of solutions to Maxwell's equations for a beam with the same intensity profile and polarization state as the TM₀,₁ beam, but with a tunable Gouy phase. By using this new type of pulse in numerical simulations of electron acceleration for different values of total Gouy phase variation, we show that it is indeed a decisive parameter in the sub-cycle acceleration process and decreasing this value is always beneficial from an energy point of view.

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences. / Direct electron acceleration using ultrashort radially polarized laser pulses in strong focusing conditions exhibits unique properties for the production of ultrashort electron bunches. However, several aspects of this acceleration scheme are still left to investigate in order to ensure our complete understanding of the processes taking place. The present master’s thesis studies the use of TM01 chirped pulses in this acceleration scheme. Exact closed-form expressions for the description of all the components of the electromagnetic field of the TM01 chirped pulse are established by the generalization of the Poisson-like spectrum. It is, to the best of our knowledge, the first exact analytical model of an ultrashort non paraxial chirped pulse. These expressions are then used for on-axis “test particle” simulations, considering, at first, a constant pulse energy and, as a second case, a constant field maximum. Results reveal that chirp pulses seem to cause a decrease of the maximum energy gain achievable using this acceleration scheme; a decrease of the efficiency of tens of percents was observed. Additionnaly, numerical simulations show that down-chirp and up-chirp do not lead to the same results: we find that down-chirped pulses produce a slightly larger energy gain than up-chirped pulses, while still being less efficient than Fourier-transform-limited laser pulses

Les collisions d’ions lourds aux énergies intermédiares (E/A = 10 - 100 MeV/nucléon) sont caractérisées par une variété surprenante de phénomènes responsables d’une production importante de particules et de fragments. L’étude des mécanismes de réaction permet de clarifier la dépendance de ces phénomènes selon les paramètres initiaux de la collision. Le travail expérimental présenté dans cette thèse est axé sur l’étude du rôle de l’asymétrie de masse et de l’asymétrie d’isospin en voie d’entrée pour la production de particules et de fragments, principalement dans les régions de vitesses caractéristiques du quasi-projectile et d’une zone intermédiaire.... / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Ce travail consiste en l'étude des événements diffractifs avec production de jets pour lesquels le proton diffusé est détecté dans le spectromètre à protons, VFPS, au sein de l'expérience H1 auprès du collisionneur HERA.<p><p>L'objectif est de mesurer la section efficace de ce processus et de la confronter aux prédictions théoriques de la Chromo Dynamique Quantique (QCD). Ces prédictions reposent sur le théorème de factorisation collinéaire, via l'universalité des densités de partons (PDF).<p><p>Les analyses précédentes de la Collaboration H1 ont montré un bon accord entre les données et les prédictions dans le domaine de l'électro-production supportant la factorisation. Cependant, en photo-production, une brisure de la factorisation a été observée.<p><p>Dans ce travail, le nouveau spectromètre à protons VFPS a été utilisé afin de détecter le proton diffusé lors de l'interaction diffractive, permettant de supprimer le bruit de fond dominant dans les mesures précédentes et de réduire d'autres sources d'incertitudes expérimentales.<p><p><p>La section efficace de production de jets dans le domaine de l'électro-production est extraite et comparée aux prédictions QCD au NLO. Ces prédictions sont basées sur les fonctions de distribution de partons (PDF) extraites des mesures antérieures par la Collaboration H1.<p><p>Les sections efficaces obtenues dans ce travail sont en accord tant d'un point de la normalisation que de celui de la dépendance en les différentes variables cinématiques avec les prédictions théoriques.<p><p>Nous pouvons en conclure l'universalité des PDF telle que prédite par le théorème de factorisation. De plus, l'analyse des sections efficaces différentielles permet de montrer que les prédictions basées sur des PDF extraites à partir d'une combinaison de mesures en diffraction inclusive et de production de jets semble être favorisée.<p><p>La production de jets en diffraction dans le domaine de la photo-production est également étudiée dans cette thèse. On y traite de la mise en place d'un nouveau sous-déclencheur permettant de sauvegarder les données sur banques. Les données en photo-production ont été comparées aux données simulées par un programme par Monte Carlo. Le bon accord entre les deux échantillons permet de s'assurer que les différents effets détecteurs ont été correctement pris en compte et montre que la mesure de la section efficace est faisable.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Durant le milieu des années quatre-vingt, le développement des faisceaux radioactifs a permis l’étude de noyaux exotiques situés à la limite de la stabilité nucléaire. Parmi ceux-ci, l’6He possède une structure particulière constituée d’un cœur α et de deux neutrons de valence faiblement liés. Il fait partie des noyaux à halo. Il s’agit également d’un système possédant au moins un état lié à trois amas (α+n+n) alors qu’aucun des sous-systèmes à deux amas (α+n ou n+n) n’est lié. Un tel système est dit borroméen. Deux autres exemples de systèmes borroméens sont le 9Be=n+α+α et le 12C=α+α+α. Les noyaux borroméens possèdent un ou deux états liés dont les propriétés sont maintenant bien connues. En revanche, les propriétés des états du continu le sont moins. Il existe aussi des systèmes à trois amas non liés mais caractérisés par une ou plusieurs résonances étroites à basse énergie. Par exemple, nous pouvons citer le 6Be=α+p+p et le 9B=p+α+α qui sont les noyaux miroirs de l’6He et du 9Be. L’étude des états du continu à trois corps est un sujet important de la recherche en physique nucléaire actuelle.<p><p>D’un point de vue théorique, les modèles en amas permettent de décrire les noyaux possédant une structure à plusieurs corps. En particulier, les modèles en amas microscopiques tiennent compte de tous les nucléons et le principe de Pauli est traité de manière exacte à l’aide de l’opérateur d’antisymmétrisation. Les modèles microscopiques, plus réalistes, requièrent de longs temps de calculs et sont difficiles à implémenter.<p><p>Dans le présent travail, nous avons développé une méthode de calcul semi-analytique plus rapide et plus précise qu’une méthode purement numérique. Notre modèle est basé sur la méthode des coordonnées génératrices dans le formalisme hypersphérique. Les états du continu sont étudiés à l’aide de la méthode des déphasages. Ces derniers sont obtenus à partir de la méthode de la matrice R microscopique.<p><p>Avec ce modèle, nous avons étudié les effets d’antisymmétrisation dans les noyaux d’6He, 6Be, 9Be, 9B et 12C. Nous avons montré que ces effets restent non négligeables mêmes à grandes distances dans le cas des noyaux 9Be, 9B et du 12C. <p><p>Nous avons ensuite étudié les états du continu du 6He et du 6Be. Nous avons déterminé des valeurs théoriques pour les propriétés des résonances connues expérimentalement. Nos résultats sont en bon accord avec l’expérience. Nous avons également observé des structures larges dans les déphases associés aux états 0+ et 1- de l’6He et 1- du 6Be.<p><p>Finalement, nous avons étudié les états du 12C à travers la collision 8Be+α. Dans notre calcul, le 8Be est considéré comme un système comportant deux amas α. Nous avons montré que les états 2+ et 4+ du 8Be devaient être pris en compte pour une étude appropriée des états 0+, 2+ et 4+ du 12C. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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

La physique des particules élémentaires, aussi appelé physique des hautes énergies, est l'étude de l'infiniment petit, popularisée récemment par la découverte de nouvelles particules fondamentales permettant de consolider notre connaissance de la matière. Pour réaliser des mesures à une échelle aussi réduite, une méthode consiste à augmenter l’énergie des constituants de la matière, à l'aide d'accélérateur de particules, puis de les briser pour révéler leur constitution. Au-delà de l'intérêt en termes de physique expérimentale, réaliser des expériences de ce type est devenu une prouesse technologique grandissante avec les niveaux d’énergie atteints. La complexité de l’expérience CMS, cadre dans laquelle ce travail a été réalisé, donne une bonne mesure des défis technologiques relevés.<p>Afin d'affiner encore notre connaissance des processus mis en jeu lors collision de particules dans CMS, une mise à niveau du détecteur est prévue avant la fin de cette décennie. Certains sous-détecteurs actuellement installés, et notamment le spectromètre à muon dans la zone des bouchons, sont d’ores et déjà identifiés comme offrant des performances trop faibles pour l'augmentation du nombres d’événements prévu après cette mise à jour. Ce travail propose de réaliser une étude de faisabilité sur l'utilisation d'une technologie alternative pour ce sous-détecteur, notamment le Triple-GEM, pour combler ces limitations.<p>Une première partie de ce travail consiste en l'étude de cette nouvelle technologie de détecteur à gaz. Cependant, la mise en œuvre de cette technologie conduit à des modifications dans le système d'acquisition de données de CMS. La situation actuelle puis les implications d'un point de vue technique des modifications sont donc détaillées par la suite. Enfin, après avoir identifié les composants et les solutions permettant la collecte de résultats à l’échelle de l'ensemble du sous-détecteur, un système d'acquisition de données similaire a été réalisé et est décrit dans une dernière partie de ce travail. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished