Étude de la structure du nucléon via la diffusion compton profonde doublement virtuelle au Jefferson Laboratory

Studying the nucleon structure via double deeply virtual compton scattering at the Jefferson Laboratory

• Auteur / Autrice : Shengying Zhao
• Direction : Eric Voutier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique hadronique
• Date : Soutenance le 28/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Guidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jian-ping Chen, Marc Vanderhaeghen, Nicole D'Hose, Haiyen Gao
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jian-ping Chen, Marc Vanderhaeghen
• DOI : 10.70675/af53ef88z4832z4c66z86dezef4c2f7a055d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure nucléaire

Nucléons

Protons

Effet Compton

Collisions (physique nucléaire)

Mots clés libres

Structure du nucléon

Distributions Généralisées de Partons (GPD)

Diffusion Compton Profonde Doublement Virtuelle (DDVCS)

Facteurs de Forme Compton (CFF)

Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF)

Nucleon structure

Generalized Parton Distributions (GPDs)

Double Deeply Virtual Compton Scattering (DDVCS)

Compton Form Factors (CFFs)

Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF)

Résumé

Les Distributions Généralisées de Partons (GPD) ont émergé au cours des années 1990 comme un paradigme puissant pour l’étude de la structure et de la dynamique du nucléon. Codant les corrélations entre les constituants élémentaires du nucléon (les partons), les GPD procurent une imagerie tridimensionnelle du nucléon à partir du lien dynamique entre la position transverse et l'impulsion longitudinale des partons. Le processus de Diffusion Compton Profonde Doublement Virtuelle (DDVCS) consiste en la diffusion d'un photon virtuel par un nucléon, le photon virtuel de l’état final produisant finalement une paire de leptons, qui peut être une paire électron-positron ou une paire muon-antimuon. Les virtualités du photon initial de type espace et du photon final de type temps peuvent être mesurées et modifiées indépendamment, permettant de cartographier la dépendance des GPD en fonction du moment initial des partons de manière indépendante de leur dépendance en fonction du moment transféré. Cette caractéristique unique du DDVCS est d’importance pour, entre autres, la détermination des densités transverses de partons et la distribution des forces nucléaires.Ce document présente une étude du processus DDVCS dans le cadre du Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) au Jefferson Laboratory (JLab, Newport News, VA, États-Unis). Le bénéfice du DDVCS pour l'extraction des GPD est démontré à partir de pseudo-données prédites à l’aide d’un modèle. Cela comprend une étude de la phénoménologie du processus DDVCS et le développement d'outils de simulations, tels qu'un générateur d'événements et un algorithme d'ajustement des données, pour l'évaluation des performances d'une expérience DDVCS. La faisabilité de projets expérimentaux possibles est discutée, y compris une configuration idéale et le détecteur de grande acceptance SoLID (Solenoidal Large Intensity Device). Considérant des faisceaux polarisés d'électrons et de positrons, les combinaisons linéaires de (Facteur de Forme Compton) CFF sont extraites à partir des pseudo-données expérimentales simulées. Les GPD sont ensuite déduites des CFF au moyen d'un algorithme d'ajustement spécifiquement développé.

Generalized Parton Distributions (GPDs) have emerged over the 1990s as a powerful paradigm to study the structure and dynamics of the nucleon. Encoding the correlations between the elementary constituents of the nucleon (the partons), GPDs allows 3-dimensional imaging of the nucleon from the dynamical link between the transverse position and the longitudinal momentum of partons. The Double Deeply Virtual Compton Scattering (DDVCS) process consists of the scattering of a virtual photon off the nucleon, the virtual photon in the final state eventually generating a lepton pair, which can be either an electron-positron or a muon-antimuon pair. The virtualities of the initial space-like photon and the final time-like photon can be measured and varied independently, allowing one to map out the initial parton momentum dependency of GPDs independently of their transferred momentum dependency. This unique feature of DDVCS is of relevance, among others, for the determination of the transverse parton densities and the distribution of nuclear forces.This document presents a study of the DDVCS process in the context of the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) at the Jefferson Laboratory (JLab, Newport News, VA, USA). The benefit of DDVCS for the extraction of GPDs is demonstrated from model-predicted pseudo-data. This involves phenomenological studies of the DDVCS process and the development of simulation tools, such as an event generator and a fitter algorithm, for the evaluation of the performances of a DDVCS experiment. The feasibility of possible experimental projects is discussed, including an ideal configuration and the large acceptance detector SoLID (Solenoidal Large Intensity Device). Considering polarized electron and positron beams, linear combinations of the Compton Form Factors (CFFs) are extracted from simulated experimental pseudo-data. GPDs are further deduced from CFFs using the fitter algorithm specifically developed.