Etude de la Diffusion Compton Virtuelle à COMPASS au CERN

par Brian Ventura

Projet de thèse en Physique hadronique

Sous la direction de Nicole D'Hose et de Nicole D'Hose.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Depuis ces dernières années la physique hadronique s'est orientée vers l'étude des distributions de partons généralisées (GPDs) qui donnent la description la plus complète de la structure du nucléon. La diffusion Compton profondément inélastique (DVCS) est un moyen idéal pour atteindre ces nouvelles observables. Celles-ci combinent à la fois les informations des facteurs de forme qui donnent la distribution spatiale des densités de charge et de magnétisation obtenues en diffusion élastique et les informations des distributions de quantité de mouvement des partons (quarks et gluons constituants le nucléon) obtenues en diffusion profondément inélastique. Les GPDs précisent les corrélations entre les distributions de quantité de mouvement dans la direction longitudinale et les distributions spatiales dans le plan transverse (à la collision sonde-nucléon) des partons constituants le nucléon. La théorie des GPDs a été développée à la fin des années 1990 et dès le début les physiciens français se sont impliqués au niveau théorique et expérimental. Des expériences DVCS complémentaires ont été initiées et menées par les physiciens français à JLab aux USA avec des électrons de 12 GeV pour explorer la région des quarks de valence et à COMPASS au CERN avec des muons de 160 GeV pour sonder les quarks de la mer et les gluons. Le sujet proposé concerne l'expérience auprès de la Collaboration COMPASS au CERN. Deux années de prises de données ont été réalisées en 2016 et 2017 et le sujet de cette thèse correspond à l'étape finale des analyses DVCS. La réaction DVCS est l + p -> l + p + gamma où le lepton en diffusant sur le proton échange un photon virtuel et un seul photon réel est créé dans l'état final. A COMPASS les faisceaux de muons positifs et négatifs du SPS du CERN sont utilisés et permettent d'accéder à la petite différence des sections efficaces DVCS pour les deux états de charge mu+ et mu-. Ceci nous donne des informations très importantes sur les GPDs et sur le tenseur énergie impulsion pour mieux comprendre le confinement des quarks et gluons à l'intérieur du nucléon.

  • Titre traduit

    Study of Deeply Virtual Compton Scattering at COMPASS at CERN


  • Résumé

    For the last few years hadronic physicists have been measuring exclusive reactions such as Deeply Virtual Compton Scattering to determine the Generalized Parton Distributions of the nucleon. This will give the best description of the internal structure of the nucleon to further understand the collective organization of its partonic constituents, quarks and gluons, governed by the strong interaction. In particular, Parton Distribution Functions (PDFs) studied in Deeply Inelastic Scattering describe the structure of the nucleon as a function of the nucleon momentum fraction carried by a parton. PDFs have been investigated independently from nucleon electromagnetic form factors that are related to ratios of the observed elastic electron–nucleon scattering cross section to that predicted for a point-like particle. The theoretical framework of Generalized Parton Distributions (GPDs) developed at the end of the 1990s embodies both form factors and PDFs, such that GPDs can be considered as momentum-dependent form factors, which provide information on the transverse position of a parton as a function of its longitudinal momentum. Obtaining such a “3-dimensional picture” of the nucleon is sometimes referred to as “nucleon tomography”. GPDs describe the structure of the nucleon independently of the specific reaction by which the nucleon is probed, i.e. they are universal quantities. The mapping of nucleon GPDs, which is one of the key objectives of high-energy nuclear physics, requires a comprehensive program of measurements in a broad kinematic range, and various hard exclusive processes such as Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS). Since the late 1990s French physicists have been involved in the theoretical development and have been the principal investigators of such experiments. DVCS is the reaction l p -> l p gamma where the lepton l scattering on a proton p, exchanges a virtual photon and produces only a real photon in the final state. DVCS is considered as the golden channel to study GPDs, as it interferes with the well-known Bethe-Heitler process. The goal of the experiments is to measure total cross sections and asymmetries using a variety of lepton beams of different energy, charge and polarization on polarized or unpolarized nucleons. The JLab experiment is using polarized electron beams of 12 GeV from the CEBAF accelerator. The COMPASS experiment is using positive and negative polarized muon beams of 160 GeV which are secondary beams produced at the SPS at CERN. The kinematic domains are complementary and unique at least until 2025 when a new electron proton collider can be built. Valence quarks are probed at JLab while sea quarks and gluons are revealed at COMPASS. The proposed thesis concerns the COMPASS DVCS experiment and the student will participate to the final analysis. Two years of data taking have been performed at COMPASS in 2016 and 2017. The use of positive and negative muon beams at COMPASS allows one to measure the slight difference between the two corresponding DVCS cross sections. This will give a measurement of promising relations linked to GPDs and to the energy momentum tensor related to the quark and gluon confinement.