L'étude des atomes exotiques, où un électron de l'atome est remplacé par une autre particule de charge négative (π-, μ-, p , K-, Σ-, ...) peut fournir des informations sur la particule ou sur le noyau, ou encore sur l'interaction entre la particule et le noyau. Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés, d'une part, aux atomes pioniques (π-14 N) dans le but de déterminer la masse du pion négatif avec une très bonne précision (4 ppm), et d'autre part, aux atomes antiprotoniques ( pp ) pour étudier l'interaction forte entre un nucléon et un antinucléon. A cet égard, un spectromètre de Bragg de haute résolution et une trappe cyclotron ont été utilisés. Avec sa capacité de fabriquer en grande quantité les atomes exotiques, la trappe cyclotron a fourni une source intense de rayons-X. Les cristaux courbes du spectromètre focalisant les rayons-X ont assuré un gain considérable en intensité. Grâce à leur résolution spatiale, les CCD utilisés comme détecteurs ont permis une détermination précise de l'angle de Bragg correspondant à la transition à mesurer. L'utilisation d'un milieu gazeux pour arrêter les pions a résolu l'ambiguité provenant de l'hypothèse sur le nombre d'électrons K recapturés de la cible. D'un autre côté, nous avons réalisé la première mesure directe du décalage et de l'élargissement hadroniques du niveau 2p dans l'hydrogène antiprotonique.

L'étude des atomes exotiques, où un électron de l'atome est remplacé par une autre particule de charge négative peut fournir des informations sur la particule ou sur le noyau, ou encore sur l'interaction entre la particule et le noyau. <br /><br />Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés, d'une part, aux atomes pioniques dans le but de déterminer la masse du pion négatif avec une très bonne précision (4 ppm), et d'autre part, aux atomes antiprotoniques pour étudier l'interaction forte entre un nucléon et un antinucléon. A cet égard, un spectromètre de Bragg de haute résolution et une trappe cyclotron ont été utilisés. Avec sa capacité de fabriquer en grande quantité les atomes exotiques, la trappe cyclotron a fourni une source intense de rayons-X. Les cristaux courbes du spectromètre focalisant les rayons-X ont assuré un gain considérable en intensité. Grâce à leur résolution spatiale, les CCD utilisés comme détecteurs ont permis une détermination précise de l'angle de Bragg correspondant à la transition à mesurer.<br /><br />L'utilisation d'un milieu gazeux pour arrêter les pions a résolu l'ambiguïté provenant de l'hypothèse sur le nombre d'électrons K recapturés de la cible. D'un autre côté, nous avons réalisé la première mesure directe du décalage et de l'élargissement hadroniques du niveau 2p dans l'hydrogène antiprotonique.

En physique hadronique, la structure du nucléon et le confinement des quarks sont des problèmes toujours d'actualité. Les réactions d'électro-production de pions neutres et de difusion Compton virtuelle permettent d'accéder à de nouvelles observables décrivant cette structure. Ce travail porte sur l'expérience de diffusion Compton virtuelle réalisée à Jefferson Lab en 1998. Le faisceau d'électrons d'énergie 4 GeV est envoyé sur une cible cryogénique d'hydrogène, et l'électron et le proton difusés sont détectés en coïncidence grâce aux deux spectromètres du Hall A. Le photon (pion) est détecté par une technique de particule manquante. L'analyse des données de cette expérience a permis d'extraire les sections efficaces des deux processus au quadrimoment de transfert Q2=1 GeV2. La section efficace de diffusion Compton virtuelle a été extraite pour la première fois dans la région des résonances du proton (W compris entre 1.0 et 2.0 GeV) par l'intermédiaire de l'électroproduction de photon. Autour du seuil de production de pion jusqu'à la région de la résonance Delta(1232), ces résultats permettent de mesurer les polarisabilités généralisées, qui décrivent la structure du proton au même titre que les facteurs de forme élastiques. De plus, la mesure de la section efficace d'électro-production de pions neutres dans la région des résonances a permis d'apporter des contraintes sur les modèles phénoménologiques existants.

<p> Two-pion production reactions in proton-proton collisions have been studied using the PROMICE/WASA detector and an internal cluster gas-jet target at the CELSIUS storage ring in Uppsala. Three out of the four isospin-independent reaction channels have been measured at several energies in the intermediate and near threshold energy region. Important parts of the analysis include the identification of neutral pions from the invariant mass of the decay gammas, the identification of positive pions with the delayed pulse technique and the use of Monte Carlo simulations to understand the detector response. The total cross sections for the pp®ppπ⁺π^-, the pp®ppπ⁰π⁰ and the pp®pnπ⁺π⁰ reactions are presented at beam energies ranging from 650 to 775 MeV. </p><p>The production mechanism for two-pion production near threshold seems to be dominated by resonance production. The contribution from the non-resonant terms alone can not reproduce the total cross sections. In most models, two-pion production is governed by the δ and the <i>N</i>^* resonances in either one or both of the participating nucleons. </p><p>The <i>N</i>^*(1440)®N(πp)^T=0_S−<i>wave</i> transition has been suggested as the dominating production mechanism for two-pion production in proton-proton collisions. However, the total cross sections presented in this thesis show that other production mechanisms also must give large contributions. </p>

Two-pion production reactions in proton-proton collisions have been studied using the PROMICE/WASA detector and an internal cluster gas-jet target at the CELSIUS storage ring in Uppsala. Three out of the four isospin-independent reaction channels have been measured at several energies in the intermediate and near threshold energy region. Important parts of the analysis include the identification of neutral pions from the invariant mass of the decay gammas, the identification of positive pions with the delayed pulse technique and the use of Monte Carlo simulations to understand the detector response. The total cross sections for the pp®ppπ+π-, the pp®ppπ0π0 and the pp®pnπ+π0 reactions are presented at beam energies ranging from 650 to 775 MeV. The production mechanism for two-pion production near threshold seems to be dominated by resonance production. The contribution from the non-resonant terms alone can not reproduce the total cross sections. In most models, two-pion production is governed by the δ and the N* resonances in either one or both of the participating nucleons. The N*(1440)®N(πp)T=0S−wave transition has been suggested as the dominating production mechanism for two-pion production in proton-proton collisions. However, the total cross sections presented in this thesis show that other production mechanisms also must give large contributions.

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Symmetry tests and more precisely parity violation experiments using the properties of the weak interaction give us unique insight into the internal hadronic structure of matter. The Gº experiment at Jefferson Laboratory used parity violating electron scattering to probe the strange quark contribution to the electromagnetic nucleon form factors, (GMs and GEs) as well as the axial contribution, (GAe). The data taken during the experiment provide further information on the axial transition form factor of the N - $\Delta$ transition, (GANΔ), as well as the scale of the low energy constant (dΔ) characterizing the parity violating γNΔ coupling. The analysis of backward angle Gº data taken with a liquid deuterium target to deduce the parity violating asymmetry for pion photoproduction on the Δ resonance, and the first experimental constraint on the value of dΔ, are reported in this thesis. The results showed that dΔ = (8.3 ± 25.3) gπ where the uncertainty is dominated by statistics, and that 75 percent of the theory range would be excluded by this measurement at 1 sigma.

Symmetry tests and more precisely parity violation experiments using the properties of the weak interaction give us unique insight into the internal hadronic structure of matter. The Gº experiment at Jefferson Laboratory used parity violating electron scattering to probe the strange quark contribution to the electromagnetic nucleon form factors, (GMs and GEs) as well as the axial contribution, (GAe). The data taken during the experiment provide further information on the axial transition form factor of the N - $\Delta$ transition, (GANΔ), as well as the scale of the low energy constant (dΔ) characterizing the parity violating γNΔ coupling. The analysis of backward angle Gº data taken with a liquid deuterium target to deduce the parity violating asymmetry for pion photoproduction on the Δ resonance, and the first experimental constraint on the value of dΔ, are reported in this thesis. The results showed that dΔ = (8.3 ± 25.3) gπ where the uncertainty is dominated by statistics, and that 75 percent of the theory range would be excluded by this measurement at 1 sigma.

Chiral perturbation theory is a useful tool in the study of low energy reactions involving light particles. However the inclusion of heavy particles in chiral perturbation theory results in large contributions from loop diagrams which violate the standard power counting scheme. We review two methods, referred to as heavy baryon chiral perturbation theory and infrared regularization, which remove the high energy effects of the heavy particles and which therefore do not violate the power counting scheme. We then use these two methods to calculate the amplitude for pion photoproduction to fourth order and prove that the two amplitudes are equivalent.

This research project searches for new physics in the τ sector that would resolve the tension between BABAR measurement for the pion-photon transition form factor Fπ0(Q^2)and the standard model asymptotic prediction. This behaviour could be explained by a new light pseudo-scalar state that mixes with the π 0 and enhances its coupling to the c and b quarks or the τ lepton, or by a new spin-0 particle with mass very close to the π 0 . We examine one channel to test for existence of such objects: their creation in association with τ pairs in e+ e− collisions. The analysis uses a typical cut-based approach as the large predicted cross-sections and the kinematics of the final states allow for a direct selection of signal events and background suppression. Current simulation studies predict a 90% CL limit on the production cross-section on the order of 100 fb in case of no signal, while the theory predicts production cross-sections on the order of 1 pb to 100 pb depending on the model. / Graduate / 0798 / beaa@uvic.ca