Cette thèse a pour sujet l'étude de la réaction de la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS) sur le proton e + p -> e' + p' + gamma (DVCS). Cette réaction est mesurée en analysant l'expérience e1-dvcs2 qui a eu lieu dans le Hall B du Jefferson Laboratory avec CLAS. La prise de données s'est déroulée du 22 octobre 2008 jusqu'au 23 janvier 2009. Cette analyse a pour but la détermination des sections efficaces non polarisées et les différences de sections efficaces polarisées du DVCS, dans divers bins en xB, Q^2, t et phi. Cette analyse compare les sections efficaces avec plusieurs mesures existantes du DVCS: une analyse parallèle de e1-dvcs2 et une analyse de e1-dvcs1. En factorisant l'élément de matrice qui correspond au DVCS en deux parties, calculables en QCD perturbative et non perturbative, on peut accéder aux Distributions de Partons Généralisées (GPDs) du proton, et ainsi obtenir une vue en 3D des distributions spatiales et en impulsion des quarks et des gluons dans le proton. / This thesis focuses on the Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) reaction e + p -> e' + p' + gamma (DVCS). The reaction is measured using the e1-dvcs2 experiment run at Jefferson Laboratory in Hall B using CLAS. The experiment took place from 22 October, 2008 to 23 January, 2009, and experiment run time of 90 days. This analysis focuses on the determination of the DVCS cross section in bins of xB, Q^2, t and phi, and makes a comparison with already existing and parallel analyses of DVCS. By factorizing the cross section of the reaction into perturbative and non-perturbative parts, we may relate the cross section of this reaction to Generalized Parton Distributions (GPDs) for the proton, and in doing so, provide better insight as to the distributions of quarks and gluons within it, including spacial distribution and contributions of angular momentum.

Cette thèse a pour sujet l'étude de la réaction de la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS) sur le proton e + p -> e' + p' + gamma (DVCS). Cette réaction est mesurée en analysant l'expérience e1-dvcs2 qui a eu lieu dans le Hall B du Jefferson Laboratory avec CLAS. La prise de données s'est déroulée du 22 octobre 2008 jusqu'au 23 janvier 2009. Cette analyse a pour but la détermination des sections efficaces non polarisées et les différences de sections efficaces polarisées du DVCS, dans divers bins en xB, Q^2, t et phi. Cette analyse compare les sections efficaces avec plusieurs mesures existantes du DVCS: une analyse parallèle de e1-dvcs2 et une analyse de e1-dvcs1. En factorisant l'élément de matrice qui correspond au DVCS en deux parties, calculables en QCD perturbative et non perturbative, on peut accéder aux Distributions de Partons Généralisées (GPDs) du proton, et ainsi obtenir une vue en 3D des distributions spatiales et en impulsion des quarks et des gluons dans le proton.

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.

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.

Ce travail présente l'analyse de l'électroproduction exclusive de mésons rho0 sur le nucléon pour des valeurs du moment transféré au carré Q2 intermédiaires (1.5

Les distributions généralisées de partons (GPDs) sont des fonctions universelles permettant une meilleure compréhension des propriétés des nucléons en termes de quarks et de gluons. La diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) est le processus le pus simple permettant leur mesure. En particulier, le DVCS sur le neutron est sensible à la GPD E qui est la moins contrainte à ce jour et dont la connaissance s'avère indispensable pour accéder au moment angulaire des quarks. La première expérience dédiée au DVCS sur le neutron a eu lieu fin 2004 au Hall A du Jefferson Lab. La haute luminosité de l'expérience et le taux de bruit de fond qui en découle ont nécessité le développement d'équipements spécifiques qui sont décrits. Les méthodes d'analyse utilisées sont présentées et les résultats de l'expérience conduisant à des contraintes préliminaires sur la GPD E sont discutés.

Les Distributions de Partons Généralisées (GPDs) encodent les corrélations entre impulsion longitudinale et position transverse des partons dans les hadrons et permettent d'imager la structure du nucléon en 2+1 dimensions. Elles ont été étudiées théoriquement et expérimentalement pendant deux décennies et une nouvelle ère expérimentale débute actuellement (à Jefferson Lab et COMPASS, mais aussi à l'avenir à un collisionneur électron-ion) pour les extraire avec grande précision. La difficulté est que seul un accès expérimental indirect est possible, à travers divers canaux de diffusion exclusive et les observables associés. Cela implique de prendre nécessairement en compte les nombreuses contraintes théoriques si l'on veut concevoir des modèles fiables pour la phénoménologie. En particulier, deux contraintes cruciales sont les propriétés de "polynomialité" et de "positivité". L'approche de cette thèse consiste à tirer partie des deux propriétés en modélisant d'abord les fonctions d'onde sur le cône de lumière des premiers états de Fock du nucléon, permettant d'obtenir une GPD dans la région appelée DGLAP via overlap où le nombre de partons est conservé, puis l'étendre de manière covariante à la région ERBL, avec une inversion de transformée de Radon. In fine, le but est d'appliquer cette procédure à un modèle de quark-constituant pour GPDs de valence, ce qui permettrait de produire de manière inédite pour ce genre de modèle des résultats à comparer à l'expérience (sur le processus de diffusion Compton profondément virtuelle en l’occurrence). Pour atteindre cette objectif, on utilise la librairie PARTONS sous différentes hypothèses perturbatives. / Generalized Parton Distributions (GPDs) encode the correlations between longitudinal momentum and transverse position of partons inside hadrons and can give access to a picture of the nucleon structure in 2+1 dimensions. They have been studied theoretically and experimentally for almost two decades and a new experimental era is starting (at JLab and COMPASS currently, and in the future at an EIC) to extract them. The difficulty is that only an indirect experimental access is so far possible, through different exclusive channels and various observables. Therefore, one has to take into account the many theoretical constraints to be able to produce accurate models and rely on their phenomenology. Two important constraints are called the polynomiality and positivity properties. The approach of this thesis is to make use of both of them by first modeling low Fock states light-front wave-functions, which gives a GPD in the DGLAP region by a parton number conserved overlap, and then covariantly extending this GPD to the ERBL region, through an inverse radon transform. In fine, the goal is to apply this on a constituent quark-like model for valence GPDs, which would allow to produce a phenomenological output (on DVCS data for instance) from this kind of models, which was impossible before. We make use of the versatile PARTONS framework to achieve this under various perturbative QCD assumptions.

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. / The study of the inner structure of hadrons allows us to understand the nature of the interactions between partons, quarks and gluons, described by Quantum Chromodynamics. The elastic scattering reactions, which have been studied in order to measure the nucleon form factors, are included in this frame. The inelastic scattering reactions are also included in this frame, they allow us to obtain information about the nucleon structure thanks to the development of the parton distribution functions (PDFs). While through elastic scattering we can obtain information about the charge distribution of the nucleon, and hence, about the spatial distribution of the partons, through inelastic scattering we obtain information about the momentum distributions of partons, by employing the PDFs. However, we can study the exclusive inelastic scattering reactions, such as the Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS), wich allow us to access to the spatial and momentum distributions simultaneously. This is possible thanks to the generalized parton distributions (GPDs), which allow us to correlate both types of distributions. The process known as DVCS is the easiest way to access the GPDs. This process can be expressed as the scattering of an electron by a proton by means of a virtual photon with the result of the scattered initial particles plus a real photon. We find a process competing with DVCS known as Bethe-Heitler (BH), in which the real photon is radiated by the lepton rather than the quark. Due to the small cross section of DVCS, of the order of nb, in order to conduct these kind of experiments it is necessary to make use of facilities capable of providing high beam intensities. One of these facilities is the Thomas Jefferson National Accelerator Facility , where the experiment JLab E07-007, “Complete Separation of Virtual Photon and π⁰ Electroproduction Observables of Unpolarized Protons”, took place during the months of October to December of 2010. The main goal of this experiment is the isolation of the contribution from the term coming form the DVCS from the interference term, resulting from the BH contribution. This isolation is known as “Rosenbluth Separation”. The work presented in this thesis focuses on the analysis of the data stored by the electromagnetic calorimeter, employed for the detection of real photons. There is also a a theoretical introduction to the study of the nucleon structure, reviewing the concepts of form factors and parton distributions through elastic and inelastic processes. The computation of the photon leptoproduction cross section is described in detail, as well as the goals of experiment E07-007. This thesis also describes the analysis of the data stored by the electromagnetic calorimeter, with the purpose of obtaining the kinematic variables of the real photons resulting from DVCS reactions. Finally, it describes the selection of events from stored data, the applied cuts to kinematical variables and the background subtraction. Also, the process of extraction of the necessary observables for computing the photon leptoproduction cross section is described, along with the main steps followed to perform the Monte Carlo simulation used in this computation. The resulting cross sections are shown at the end of this thesis.

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.