Nuclear effects in high-energy proton-nucleus collisions : transverse momentum broadening of energetic parton systems and soft anomalous dimension matrices

par Florian Cougoulic

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ginés Martinez et de Stéphane Peigne.

Le président du jury était François Arleo.

Le jury était composé de Ginés Martinez, Stéphane Peigne, Yuri V. Kovchegov.

Les rapporteurs étaient François Arleo, Yuri V. Kovchegov.

  • Titre traduit

    Effets nucléaires dans les collisions proton-noyau à haute énergie : élargissement de l’impulsion transverse des systèmes de partons énergétiques et matrices de dimension anormale


  • Résumé

    Dans le Modèle Standard de la physique des particules, la théorie de l’interaction forte, la chromodynamique quantique (QCD), est une théorie de jauge de groupe de symétrie SU (Nc) par rapport au nombre quantique de couleur. QCD obéit à la propriété de liberté asymptotique, permettant le calcul d’observables physiques à haute énergie en utilisant la QCD perturbative (pQCD). Cette thèse traite de la description en pQCD des taux de production de hadrons dans les collisions hadroniques à haute énergie, en vue d’applications à la phénoménologie des collisions proton-noyau et noyau-noyau dans les collisionneurs de hadrons (RHIC, LHC), où des effets nucléaires (shadowing, perte d’énergie partonique, élargissement de l’impulsion transverse) entrent en jeu. Dans une première partie, j’étudie l’élargissement de l’impulsion transverse d’un système de partons énergétiques traversant un noyau, en mettant l’accent sur la structure de couleur du processus. Un cadre théorique basé sur le formalisme des dipôles est utilisé, et une équation cinétique est dérivée pour la distribution en impulsion transverse de la paire de partons, en demandant que cette paire soit dans un état de couleur donné (représentation irréductible de SU (Nc)) à la fois dans l’état initial et dans l’état final. La structure de couleur est codée dans un opérateur d’évolution de couleur, qui est obtenu pour tout type de paire de partons. Pour une paire compacte de petite taille, la dérivation donne une interprétation physique claire du processus d’élargissement de l’impulsion transverse. Dans une deuxième partie, je discute la matrice de dimension anormale Q, qui est formellement analogue à l’opérateur d’évolution précédent, et qui apparaît lors de l’ étude du rayonnement de gluons mous associé à une diffusion partonique dure 2 −> 2. Il a été remarqué que la matrice Q associée à gg −> gg a une symétrie surprenante (reliant les degrés de liberté externe et interne). J’ai développé des outils pour dériver les matrices Q associées à des diffusions 2 −> 2 impliquant des partons généralisés, afin d’explorer si la symétrie observée pour gg −> gg est fortuite ou non.


  • Résumé

    In the Standard Model of particle physics,the theory of the strong interaction, Quantum Chromodynamics (QCD), is a gauge theory of symmetry group SU (Nc) with respect to the color quantum number. QCD obeys the property of asymptotic freedom, allowing the computation of high-energy physical observables using perturbative QCD (pQCD). This thesis deals with the pQCD description of hadron production rates in high-energy hadronic collisions, in view of applications to the phenomenology of proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions at hadron colliders (RHIC,LHC), where so-called nuclear effects (shadowing, parton energy loss, transverse momentum broadening) come into play. In a first part, I study the transverse broadening of an energetic parton system crossing a nucleus, putting emphasis on the color structure of the process. A theoretical setup based on the dipole formalism is used,and a kinetic equation is derived for the parton pair transverse momentum distribution, requiring the parton pair to be in a given color state (SU (Nc) irreducible representation) both in the initial and final state. The color structure is encoded in a color evolution operator, which is obtained for any type of parton pair. For a small-size compact pair, the derivation yields a transparent physical interpretation of the pair transverse broadening process. In a second part, I discuss the soft anomalous dimension matrix Q, which is formally analogous to the previous evolution operator, and which appears when studying soft gluon radiation associated to 2 −> 2 hard parton scattering. It has been noticed that the Q-matrix associated to gg −> gg has a surprising symmetry (relating external and internal degrees of freedom). I developed tools to derive the Q-matrices associated to2 −> 2 scatterings involving generalized partons, in order to explore if the symmetry observed for gg −> gg is fortuitous or not.


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