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

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.

Le travail présenté dans cette thèse porte d’une part sur le développement et la caractérisation d’une nouvelle génération de détecteurs Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) pour l’expérience COMPASS au Cern, et d’autre part sur l’estimation de la contribution de canaux diffractifs à la production de pions et de kaons, dans le cadre de l’étude des fonctions de fragmentation de quarks en hadrons à COMPASS. De nouveaux détecteurs Micromegas d’une surface active de 40 x 40 cm² sont en cours de développement pour le futur de l’expérience COMPASS, à partir de 2015. Ces détecteurs devront fonctionner dans des flux de muons et hadrons approchant 8 MHz/cm². Pour cela, une zone centrale d’environ 5 cm de diamètre, traversée par le faisceau, sera constituée de 1280 pixels, et des technologies permettant de fortement réduire l’impact des décharges seront adoptées. Quatre prototypes de géométrie finale utilisant deux types de technologies de réduction des décharges différentes ont été produits au Cern et testés en conditions réelles à COMPASS entre 2010 et 2012. Trois d’entre eux sont des détecteurs hybrides utilisant une feuille GEM (Gas Electron Multiplier) en tant qu’étage de préamplification pour réduire la probabilité de décharge. Le dernier détecteur est équipé d’une structure résistive à « résistances enterrées », permettant la réduction de l’amplitude des décharges. Leurs performances sont présentées dans cette thèse. L’impact de ces résultats sur la production et la mise en œuvre de la série finale de détecteurs est également discuté. Les fonctions de fragmentation de quarks en hadrons l’hadronisation d’un quark de saveur q en un hadron h. Ces fonctions universelles interviennent dans l’expression de la section efficace de nombreux processus. Elles sont accessibles à COMPASS via la réaction de diffusion profondément inélastique semi-inclusive de muons sur des nucléons. Les observables permettant leur extraction dans ce cadre sont les multiplicités de hadrons, soit le nombre moyen de hadrons produits par événement de diffusion profondément inélastique. Les mésons vecteurs issus de processus diffractifs produisent également des pions et kaons par leur désintégration. Ces processus n’impliquant pas l’hadronisation d’un quark, il semble justifié de ne pas les comptabiliser dans la mesure des multiplicités. Ce travail propose une étude Monte-Carlo des contributions de la production diffractive de mésons vecteurs rho et phi à la production de hadrons léger et aux événements inclusifs. Des facteurs de correction des multiplicités sont finalement établis. Enfin, l’effet de cette correction sur l’extraction des fonctions de fragmentation en pions est présenté. / This thesis is dedicated to the development and characterisation of a new generation of Micromegas (MICROMEsh GAseous Structure) detectors for the COMPASS experiment at Cern, and the estimation of the diffractive processes’ contribution to the production of pions and kaons, concerning the study of the quark fragmentation functions into hadrons at COMPASS. New Micromegas detectors with a 40 x 40 cm² active area are being developed for the future physics program of the COMPASS experiment starting in 2015. These detectors will have to work in high muon and hadron flux (close to 8 MHz/cm²). In this context, a central area of about 5 cm diameter, crossed by the beam, will be composed of 1280 pixels, and discharge-reduction technologies will be used. Four prototypes with a final read-out geometry, using two different discharge-reduction technologies have been produced at Cern and studied in nominal conditions at COMPASS between 2010 and 2012. Three are hybrid detectors using a GEM (Gas Electron Multiplier) foil as a preamplification stage to reduce the discharge probability. The other is equipped with a so called “buried resistors” resistive structure allowing to strongly reduce the discharge amplitude. Their performances are presented in this thesis. The impact of these results on the production and implementation of the final series of detectors is also discussed. Quark fragmentation functions into hadrons describe the hadronisation of a quark of flavor q into a hadron h. These universal functions take part in the cross-section expression of several processes. They can be accessed at COMPASS via semi-inclusive deep inelastic scattering of muons off nucleons. The relevant observables for fragmentation function extraction are hadron multiplicities, corresponding to the mean number of hadrons produced per deep inelastic scattering event. Vector mesons produced by a diffractive process can decay into pions and kaons. As such processes do not involve quark hadronisation, they should a priori be excluded from multiplicity measurements. This work presents a Monte-Carlo study of the impact of diffractive rho and phi production on light hadrons and inclusive events yields. Multiplicity correction factors are finally established. The effect of this correction on the extraction of pion fragmentation functions is also discussed.

Le proton est un état lié de quarks qui sont maintenus ensemble par l’interaction forte dont les médiateurs sont les gluons. La compréhension de la structure du proton est actuellement l’une des questions centrales de laphysique hadronique. Le présent travail rend compte des études phénoménologiques et expérimentales reliées aux possibilités offertes par le faisceau d’antiprotons qui sera disponible au futur complexe accélérateur FAIR à Darmstadt, dans la gamme d’impulsion entre 1.5 et 15 GeV/c. Après une classification des réactions qui sont accessibles dans l’annihilation proton-antiproton, les caractéristiques principales du détecteur PANDA sont décrites. Un chapitre de cette thèse est consacré à l’étude du couplage optique entre les cristaux et les photo-diodes du calorimètre électromagnétique, qui sera exploité à basse température (-25° C). Les propriétés mécaniques, thermiques, optiques et la résistance aux radiations de deux colles commerciales sont quantifiées.Des études de faisabilité de la réaction pbarp → e+e− pour la mesure des facteurs de forme du proton dans la region temps à PANDA sont présentées. La structure électromagnétique du proton est parametrisée par ses facteurs de forme électrique GE et magnétique GM. L’interaction électromagnétique est bien décrite par la théorie de l’électrodynamique quantique. L’outil usuel pour déterminer les facteurs de forme électromagnétiques du proton est la diffusion élastique électron-proton polarisée et non polarisée, sous l’hypothèse que l’interaction se produit par l’échange d’un seul photon virtuel. La reaction croisée pbarp → e+e− permet d’accéder à la region temps. Les réactions du bruit de fond sont également étudiées, en particulier la réaction pbap → π+π−. Les résultats obtenus à partir d’une simulation Monte Carlo réaliste en utilisant le logiciel PANDARoot montre que le rapport des facteurs de forme du proton peut etre mesuré à PANDA avec une précision sans précédent. Les effets des corrections radiatives dus à l’émission de photons réels et virtuels sont considérés.Basé sur un formalisme modèle indépendant, le calcul des observables expérimentales pour la reaction pbap → e+e− est étendue à l’annihilation en une paire de leptons lourds qui porte la méme information physique sur la structure du proton que les électrons. Dans ce cas, la masse du lepton ne peut pas etre négligée. Le méme formalisme est également appliqué dans la région espace à la diffusion élastique des protons par des électrons au repos (cinématique inverse). La diffusion pe-élastique puisse etre utilisée pour polariser et/ou mesurer la polarisation des faisceaux de protons (antiprotons)de haute énergie, et elle permette également de mesurer le rayon de charge du proton. / The proton is a bound state of quarks which are held together by the strong force, mediated by gluons. The understanding of the proton structure is presently one of the central issues in hadron physics. The present work reports on phenomenological and experimental studies related to the possibilities offered by the future antiproton beam at the FAIR facility at Darmstadt, in the momentum range between 1.5 and 15 GeV/c. After a classification of the reaction channels which are accessible in antiproton-proton annihilation, the main features of the PANDA detector are described. A chapter of this thesis is dedicated to the study of the optical coupling between crystals and photodiodes in the electromagnetic calorimeter, which will be operated at low temperature (-25° C). Mechanical, thermal, optical properties and radiation hardness of two commercial glues are quantified.Feasibility studies of the reaction barp → e+e− for the Time-Like proton form factor measurements at PANDA are presented. The electromagnetic structure of the proton is parametrized in terms of electric GE and magnetic GM form factors. The electromagnetic interaction is well described by the theory of quantum electrodynamics. The traditional tool to determine proton electromagnetic form factors is polarized and unpolarized electron-proton elastic scattering, assuming that the interaction occurs through the exchange of one virtual photon. The crossed symmetry channels pbarp ↔ e+e− allowto access the Time-Like region. The background reactions are also studied, in particular the pbarp → π+π− channel. The results obtained from a realistic Monte Carlo simulation using PANDARoot show that the proton form factor ratio can be measured at PANDA with unprecedented accuracy. The effects of radiative corrections due to real and virtual photon emission are considered.Based on a model independent formalism, the calculation of the experimental observables for the pbarp → e+e− reaction is extended to the annihilation into a heavy lepton pair which carries the same physical information on the proton structure as the electrons. In this case, the lepton mass can not be neglected. The same formalism is also applied in Space-Like region to the elastic scattering of protons from electrons at rest (pe-inverse kinematics). We suggest that the elastic pe scattering can be used to polarize and/or to measure the polarization of high energy proton (antiproton) beams, and allows a precise measurement of the proton charge radius.