Estudamos os espalhamentos elásticos próton-próton (pp) e antipróton-próton (pp) na representação eiconal por meio das duas principais formulações compatíveis com vínculos de analiticidade e unitaridade: a inspirada na Cromodinâmica Quântica (Quantum Chromodynamics, QCD) e a baseada na teoria de Regge. Em modelos inspirados em QCD o aumento das seções de choque hadrônicas está relacionado a espalhamentos semiduros (semihard) entre os pártons no interior dos hádrons. A dependência com energia das seções de choque é devida principalmente a processos de espalhamento elementares envolvendo gluóns. Nesta tese apresentamos um modelo eiconal no qual as divergências presentes em processos platônicos, no limite de pequeno momentum transferido, são regularizadas com a introdução de uma massa dinâmica para o gluóns. O modelo utiliza seções de choque elementares oriundas do modelo a pártons da QCD, funções de distribuição de quarks e gluóns atuais (CTEQ6L,CTEQ6L1 e MSTW) e cortes cinemáticos que restringem os processos elementares ao regime semiduro. Em modelos de polos de Regge o aumento das seções de choque hadrônicas é atribuído a troca de um estado sem cor possuindo os números quânticos do vácuo: o Pomeron. Na perspectiva da QCD o Pomeron pode ser entendido como a troca de pelo menos dois gluóns em um estado singleto de cor, tornando a teoria de Regge um importante guia na busca de uma teoria fundamental para a descrição de processos suaves baseada na QCD. Nesta tese determinamos todos os parâmetros do Pomeron suave usando duas variantes de um modelo de Regge. Na primeira delas a trajetória do Pomeron é linear, enquanto na segunda há a inserção na trajetória da singularidade do canal t mais próxima, o laço (loop) de píons. Em ambas formulações, inspirada em QCD e de Regge, fazemos uma análise detalhada dos dados de seção de choque total e parâmetro finos canais pp e pp e fornecemos previsões para estes observáveis nas energias do Tevatron, LHC e raios cósmicos. / We study the proton-proton (pp) and antiproton-proton ( pp) elastic scattering in the eikonal representation by means of two formulations compatible with analyticity and unitarity constraints: a formulation inspired by Quantum Chromodynamics (QCD) and a formulation based upon Regge theory. In QCD-inspired models the increase of the total cross sections is associated with semihard scatterings of partons in the hadrons. The energy dependence of the cross sections is driven especially by gluon-gluon scattering processes which are potentially divergent at small transferred momenta. In this thesis we present an eikonal model in which these divergences are regulated by the introduction of a dynamical gluon mass. The model is built from the parton model using standard QCD cross sections for elementary parton-level processes, updated sets of quark and gluon distribution functions (CTEQ6L,CTEQ6L1 and MSTW), and physically-motivated cuto s which restrict the elementary processes to semihard ones. In Regge pole models the increase of the hadronic total cross sections is attributed to the exchange of a colorless state having the quantum numbers of the vacuum: the Pomeron. In the QCD framework the Pomeron can be understood as the exchange of at least two gluons in a color singlet state. Hence the Regge theory is an important guide in the search of a fundamental theory for soft processes based upon QCD. In this thesis we determine all the parameters of the soft Pomeron by means of two Regge models. In the rst model the Pomeron trajectory is linear whereas the second have the nearest t-channel singularity of the trajectory, namely the two-pion loop. We perform a detailed analysis of proton-proton and antiproton-proton forward scattering data in both QCD-based and Regge approaches, and give predictions for the total cross section and parameter at Tevatron, LHC, and cosmic-ray energies.

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.

The intense electromagnetic fields surrounding highly charged, ultra-relativistic ions at the LHC provide an intense flux of quasi-real photons. This high-energy photon flux provides a precise probe of the structure of the nucleus in photonuclear interactions and a tool to precisely study the properties of photoproduction in two-photon interactions. This thesis presents recent results from studies of photoproduction processes in √𝒔_𝐍𝐍 = 5.02 TeV Pb+Pb collisions at the LHC, using data collected in 2015 and 2018. A measurement of the differential cross-section for photonuclear jet production is performed with an integrated luminosity of 1.72 nb⁻¹. This measurement is triple-differential in two different sets of kinematic variables ([𝐻_𝐓, 𝒙_𝐀, 𝒛_𝛾] and [𝐻_𝐓, 𝒚_jets, 𝒎_jets) which allow for a direct measurement of the kinematics of struck partons in the nuclear target, and it is fully unfolded in three dimensions. After performing detailed studies of the rate for nuclear breakup in these collisions, the photonuclear jet cross-sections agree with leading-order predictions at the level of 10%. The uncertainty on this measurement and full treatment of its correlated uncertainties will allow for it to significantly constrain the nuclear parton distributions over a wide region of parton kinematics. A measurement was also performed of dimuon production via two-photon fusion in Pb+Pb collisions with nuclear overlap. This measurement studied the relative deflection of muons in each pair, and its results indicated that these distributions are substantially modified as a function of collision centrality. This modification is mostly well-described by initial-state models, which improve the modelling of the photon flux by incorporating correlations between the collision impact parameter and photon 𝒑_𝐓. Additional studies were performed to constrain the potential impact of any deflections due to the presence of strong magnetic fields in the hot, dense medium produced in heavy ion collisions.

La décennie passée a vu une forte évolution de l'étude de la structure des hadrons par les processus exclusifs, permettant d'accéder à une description plus complète de cette structure. Les processus exclusifs incluent la diffusion Compton profondément virtuelle, ainsi que la production exclusive de mesons à haute énergie. Ce document s'attache particulièrement à ce dernier, et plus particulièrement à la production exclusive de pions neutres. Cette thèse décrit l'analyse des événements en triple coïncidence H(e,e'gamma gamma)X, qui fut un sous produit abondant de l'expérience DVCS qui a eu lieu durant l'automne 2004 dans le Hall A au Jefferson Laboratory, afin d'extraire la section efficace de ep → epπ0 . Cette section efficace a été mesurée à deux valeurs de quadrimoment de tranfert Q2 =1.9 GeV2 et Q2 =2.3 GeV2 . La précision statistique accomplie pour ces mesures est meilleure que 5 %. Le domaine cinématique permet d'étudier l'évolution en Q2 et en W de la section efficace. Ces résultats ont été comparés avec des calculs inspirés de la phénoménologie de Regge, ainsi qu'avec les prédictions du formalisme des distributions de partons généralisées. Une interprétation dans le cadre de la diffusion profondément inélastique semi-inclusive est également discutée.

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La compréhension de la structure interne du nucléon à partir de la ChromoDynamique Quantique est un enjeu majeur de la physique hadronique. Seule la QCD sur réseau permet d'évaluer numériquement les observables à partir des principes ab-initio. Le sujet de cette thèse est l'étude des facteurs de forme du nucléon et le premier moment des fonctions de distributions de partons en utilisant une action discrétisée avec des fermions de masse twistée. Cette dernière a l'avantage de supprimer les effets de discrétisation au premier ordre en la maille du réseau. D'autre part, l'ensemble des simulations permet un contrôle accru des erreurs systématiques. Après avoir détaillé les techniques de calcul utilisées, je présenterai les résultats obtenus pour un large éventail de paramètres, mailles de réseau variant entre 0.056 fm et 0.089 fm, volumes compris entre 2.1 et 2.7 fm et masses de pions dans le domaine 260-470 MeV. La constante de renormalisation vectorielle a ainsi été obtenue dans le secteur du nucléon avec une grande précision. Pour le rayon de charge électrique, les effets de volume fini mis en évidence fournissent une clef pour expliquer sa dépendance chirale vers le point physique. Les résultats pour le moment magnétique et axial, les fractions d'impulsion et d'hélicité portées par les quarks, ne présentent pas d'effets de discrétisation ni de volume fini significatifs. Aux masses de pions considérées, leurs valeurs montrent une déviation par rapport aux valeurs expérimentales, leur comportement chiral n'exhibant pas la courbure prédite par les perturbations chirales qui permettrait de résoudre ce désaccord apparent.

The interactions, with emulsion nuclei, of O-16 ions accelerated at 2.1 GeV/nucleon in the Berkeley accelerator, are analyzed. A phenomenological study of the events, particularly reaction cross sections and multiplicities is exposed to nuclear theories with nucleons acting individually and collectively An study of the angular distributions of the reaction products and their correlations, particularly in the transversal space, is shown. Finally, a discussion of the present parton model of the nucleon structure is done, comparing it with the experimental results.

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.

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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.