La photoproduction de mésons sur le nucléon donne un accès direct à sa spectroscopie et constitue une voie privilégiée dans l'étude de la structure interne du nucléon. Ce mémoire présente et discute un certain nombre de résultats obtenus avec le dispositif expérimental GRAAL installé à l'ESRF de Grenoble.

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.

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.

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.

Dans le cadre de la chromodynamique quantique, le nucléon est décrit comme constitué de trois quarks de valence plongés dans une mer virtuelle de paires de quark-antiquark et de gluons. L'étrangeté est la plus légère des saveurs n'ayant pas de contribution de valence. Elle est de ce fait un excellent candidat pour étudier cette mer, dont le rôle bien qu'important reste peu compris. La contribution du quark étrange aux distributions de charge et de magnétisation du nucléon est accessible par des mesures d'asymétries de violation de parité en diffusion élastique d'électrons polarisés sur cible de nucléon. Un programme expérimental mondial, dans lequel se place l'expérience G0, est engagé dans ce but. Cette expérience et l'analyse des résultats de sa première phase aux angles avant constituent l'objet de cette thèse.<br /><br />Ce document présente les motivations physiques et les différentes signatures de l'étrangeté aux propriétés du nucléon (masse, spin, impulsion). Nous développons le formalisme de la sonde électro-faible et de ses facteurs de forme, puis le principe de la mesure d'asymétrie de violation de parité. Suit une description du dispositif expérimental, mis en place dans le Hall C du Jefferson Laboratory (Newport-News, USA) ; celui-ci étant conçu pour mesurer sur un large domaine en quadri-moment transféré de 0.1 à 1 (GeV/c)2 des asymétries de l'ordre de 10-6 avec une précision relative de 5 à 10 %. Nous détaillons ensuite toutes les étapes d'analyse permettant de passer des taux de comptage mesurés à une asymétrie physique de violation de parité, en soulignant le travail mené pour estimer les erreurs systématiques. Les résultats de la première phase aux angles avant, puis leur mise en contexte avec les autres expériences et le cadre théorique sont finalement présentés. Nous montrons alors qu'une contribution non nulle des paires de quark-antiquark étranges est favorisée.

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.

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.