Since the first observations of neutrino oscillation, neutrino experiments have come a long way toward precise measurements of the neutrino oscillation parameters, but some obstacles still remain. The next generation of oscillation experiments, including the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), will be using the Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) with natural argon as the neutrino target material. A precise model of the neutrino cross section on argon does not exist, which is a source of significant uncertainty in such experiments. The E12-14-012 experiment at Jefferson Lab seeks to help remedy this via electron scattering measurements on argon and titanium targets. The experiment collected both inclusive (e,e') and exclusive (e,e'p) data at a wide range of kinematics with the intent to measure the electron-nucleus cross section and thus derive a spectral function for argon that can be used with neutrino experiments. The use of titanium in this experiment stems from the equivalent shell structure that its protons share with the neutrons in argon, which will be crucial in oscillation experiments but cannot be measured directly in electron scattering. This thesis collects several papers which present results from the E12-14-012 experiment. These results include the inclusive (e,e') cross sections for carbon, titanium, argon, and aluminum at a beam energy of 2.22 GeV and a scattering angle of 15.54 deg with uncertainty of less than 5%. Also included are the first results of the exclusive (e,e'p) cross section on argon and titanium. / Doctor of Philosophy / Since the first observations of neutrino oscillation, neutrino experiments have come a long way toward precise measurements of the neutrino oscillation parameters, but some of the properties of neutrinos still remain uncertain. The next generation of neutrino oscillation experiments, including the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), will be using the Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) with natural argon as the neutrino target material. A precise model of the neutrino cross section on argon does not exist, which will reduce the opportunity for DUNE to measure the neutrino properties with high precision. The E12-14-012 experiment at Jefferson Lab seeks to help remedy this via electron scattering measurements on argon and titanium targets. The experiment collected both inclusive (e,e') and exclusive (e,e'p) data.The goal of this experiment is measure the electron-nucleus interactions and provide a nuclear model for electron and neutrino interactions. This Ph.D. thesis collects several papers which present the results from the Jefferson lab E12-14-012 experiment.

AUCUN

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23701号 / 理博第4791号 / 新制||理||1686(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 永江 知文, 准教授 成木 恵, 教授 中家 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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Hadron propagation in the nuclear medium is essential for building an accurate model of the nuclear many-body system. Quasiree electron scattering from nuclei is one of the tools used in the study of hadron propagation effects in the nuclear medium. Electroproduction and propagation of class=SpellE>kaons from nuclei provides an additional (strangeness) degree of freedom, inaccessible with other hadrons. An experiment to measure the transparency of pions was completed in Dec 2004 at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Hall C. Using same data set, we report the first measurement of the nuclear transparency of class=SpellE>kaons for 12C, 63Cu and 197Au nuclei at Q2= 1.1, 2.0 and 3.0 (GeV/c)2. We have also extracted the average effective kaon-nucleus cross section from the nuclear transparency. The Q2 and A dependence of the transparency and average effective cross section are compared to results from kaon-nucleus scattering data and found consistent within experimental uncertainties.

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.

L'interaction forte, qui permet de lier entre eux les quarks afin de former les nucléons, est assez bien décrite par la chromodynamique quantique (QCD) à très haute énergie lorsque les quarks sont quasiment libres. Mais cette interaction, qui permet aussi de lier les nucléons entre eux pour former les noyaux, est incalculable à basse ou moyenne énergie lorsque les quarks sont confinés. La physique des énergies intermédiaires essaye de comprendre comment les caractéristiques des nucléons ou mésons, ainsi que leur interaction effective, peuvent s'expliquer à partir des quarks et interactions de QCD. C'est dans ce cadre que je travaille depuis mon entrée au CNRS il y a maintenant 15 ans. Ma première activité a été la construction et l'utilisation d'un polarimètre à deuton qui a été utilisé au Laboratoire National SATURNE pour diverses expériences avec des hadrons de basses énergies, et plus récemment au Thomas Jefferson National Laboratory aux États-Unis pour l'expérience $t_{20}$. Puis je me suis engagé ces 10 dernières années dans la mesure du quark étrange dans les propriétés électromagnétiques du nucléon. Le Thomas Jefferson National Laboratory (TJNAF aussi appelé JLab pour Jefferson Laboratory) héberge l'accélérateur d'électrons de dernière génération CEBAF (Continuous Electron Beam Facility) qui est capable de produire des faisceaux de haute énergie (jusqu'à 6 GeV), très intenses et avec une très grande polarisation. C'est grâce à des accélérateurs comme celui-ci qu'a été possible le développement des expériences de mesure de violation de parité en diffusion d'électron. En 1998, la collaboration $G^{0}$ a commencé la construction d'un détecteur dédié à ce genre de mesures, avec comme objectif de séparer les contributions du quark étrange à la structure électrique et magnétique des nucléons. Deux laboratoires en France étaient engagés dans cette collaboration et avaient en charge la construction de la moitié du détecteur et de l'électronique associée pour la première phase de cette expérience qui s'est déroulée entre 2002 et 2005. Parallèlement, le LPSC Grenoble a développé de nouveaux détecteurs ainsi que leur électronique pour la deuxième phase de ce programme qui s'est déroulée entre 2001 et 2009. Dans le premier chapitre, j'expose le formalisme qui permet d'accéder à la contribution des quarks étranges puis, après une présentation des techniques expérimentales de violation de parité pour mesurer cette contribution, je décris les différentes expériences en diffusion d'électron. Dans le chapitre expérimental, je me concentre sur l'expérience $G^{0}$ qui a été mon activité de recherche dominante des 11 dernières années. Le chapitre 4 est consacré au bilan de 15 ans de programme expérimental dans ce domaine et présente ce que l'on sait aujourd'hui à partir de toutes ces mesures.

L'expérience HPS (Heavy Photon Search) au Jefferson Lab (USA)recherche un nouveau boson de jauge vecteur, nommé "photon lourd" ou "photon sombre", dans une fourchette de masse allant de 20 à 1000 MeV. Une telle particule couplerait avec le photon du modèle standard par effet de "kinetic mixing" et pourrait ainsi être émis par l'intermédiaire d'électrons. En utilisant un faisceau d'électron de haute intensité d’un à six GeV envoyé sur une cible de tungstène, HPS cherche à détecter une fine résonance dans le bruit de fond produit par les processus QED qui serait la signature d'un photon lourd. HPS exploitera aussi le fait qu'à très petit couplages, le photon lourd se désintègrera après une distance détectable, fournissant ainsi une seconde signature sous la forme d'un vertex éloigné de la cible. Dans cette thèse, je présente les motivations pour une telle recherche de photon lourd dans ce domaine spécifique de l'espace de phase, puis je présente le spectromètre HPS, en détaillant en particulier le calorimètre électromagnétique qui a été l'un de mes sujets d'étude. Ensuite, je présente mon travail utilisant une intégration Monte-Carlo pour calculer la section efficace des processus QED attendus dans l'expérience HPS. Finalement, je présente dans cette thèse mon analyse de donnée pour la recherche d'un pic sur le bruit de fond QED dans les données acquises au printemps 2015. / The heavy photon search (HPS) experiment in Jefferson Lab (USA) is looking for a new vector gauge boson, called "heavy photon" or "dark photon", in a mass range of 20 MeV to 1000 MeV. Such particle can couple to the standard model photon through kinetic mixing and therefore can be radiated in electron scatterings. Using a high intensity, one to six GeV electron beam sent onto a tungsten target, HPS will look for a narrow resonance above the QED background that would be a signature of a dark photon. HPS will also exploit the fact that for small couplings, this dark photon would also travel a detectable distance before decaying, providing a second signature in the form of a vertex away from the target. In this thesis, I will present the motivations to look for such a dark photon in this particular domain of phase space, then present the HPS spectrometer, with a particular focus on the electromagnetic calorimeter which was a focus of my work. Then, I will present my work using a Monte-Carlo integration to calculate the cross section of the expected background QED processes for the HPS experiment. The final part of my work presented in this thesis will be focused on my data analysis, looking for a bump on the QED background, I carried out using data taken in Spring 2015.

Cette thèse, articulée en deux parties, présente le calcul des corrections radiatives à la diffusion Compton virtuelle (VCS) et décrit la méthode magnétique (projet ARC) adoptée dans le Hall A à Jefferson Lab. pour mesurer l'énergie absolue du faisceau d'électrons avec une précision de 10-4.<br /><br />Les expériences de diffusion Compton virtuelle nous permettent d'accéder à de nouvelles observables du proton : les polarisabilités généralisées. L'extraction de ces polarisabilités s'effectuant par comparaison des sections efficaces expérimentale et théorique, il est indispensable de contrôler avec une grande précision les erreurs systématiques et les effets radiatifs liés à l'expérience. Un calcul complet des corrections radiatives internes a donc été mené dans le cadre de l'électrodynamique quantique. Ce calcul inédit tient compte de tous les graphes contribuant à l'ordre alpha^4 au niveau de la section efficace à l'exception de ceux mettant en jeu l'échange de deux photons entre les bras leptonique et hadronique ainsi que ceux relatifs au rayonnement du proton. La méthode de régularisation dimensionnelle a été employée pour le traitement des divergences ultraviolettes et infrarouges. Après utilisation d'une procédure d'addition-soustraction, la compensation infrarouge est vérifiée. Nous avons privilégié le calcul analytique pour les intégrales les plus internes et avons eu ensuite recours à un traitement numérique spécifique. Les résultats présentés correspondent aux différentes cinématiques de l'expérience VCS qui s'est déroulée à TJNAF en 1998. <br /><br />La méthode de mesure absolue d'énergie que nous avons développée s'appuie sur la déviation magnétique, constituée de huit dipôles identiques, conduisant le faisceau de l'accélérateur au hall A expérimental. L'énergie est déterminée à partir de la mesure absolue de l'angle de déviation du faisceau dans le plan horizontal et de la mesure absolue de l'intégrale de champ magnétique le long de la déviation magnétique. La mesure de l'angle de déviation se décompose en une mesure ponctuelle d'un angle de référence (par une méthode optique d'autocollimation) et en une mesure « en ligne » des déviations angulaires du faisceau par rapport à cet angle de référence (utilisation de quatre profileurs à fil : une paire en amont et une paire en aval de l'arc). L'intégrale de champ absolue le long de la déviation résulte, elle, de la mesure ponctuelle de la somme des intégrales de champ relatives des huit dipôles de l'arc par rapport à un aimant de référence et de la mesure « en ligne » de l'intégrale de champ de cet aimant de référence alimenté en série avec les huit autres de l'arc.