Etude d'états excités du nucléon avec le détecteur HADES à GSI

Studying excited states of the nucleon with the HADES detector at GSI

• Auteur / Autrice : Federico Scozzi
• Direction : Béatrice Ramstein, Tetyana Galatyuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique hadronique
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Technische Universität (Darmstadt, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Orsay, Essonne ; 1956-2019)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Guy Chanfray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Ramstein, Tetyana Galatyuk, Guy Chanfray, Michael Buballa, Hélène Fonvieille, Nicole D'Hose, Thomas Walther, Miklos Zetenyi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Buballa, Hélène Fonvieille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Facteur de forme (physique nucléaire)

Production de paires de leptons

Interactions pion-nucléon

Mots clés libres

Physique hadronique

Simulation

Resonances baryoniques

GSI

Dilepton

Hadronic physics

Simulation

Baryonic resonances

GSI

Dilepton

Résumé

Le sujet de cette thèse est l’analyse de la production de di-électrons dans des réactions induites par des pions avec le détecteur HADES a une énergie dans le centre de masse proche de 1.5 GeV, dans lesquelles des résonances baryoniques dans la deuxième région de résonances (N(1440), N(1520),..) peuvent être excitées. L’objectif est d’obtenir des informations sur les transitions électromagnétiques dans une région inexplorée cinématiquement, où l’on s’attend à ce que les mésons vecteurs jouent un rôle important. Ces mesures peuvent aussi être utilisées comme référence pour les études de production de paires e⁺e⁻ dans la matière hadronique visant à explorer les modifications de la fonction spectrale du ρ. Le document commence par une présentation des résultats déjà obtenus par la collaboration HADES pour la production de di- électrons. Suit une description de l’expérience HADES et de la ligne de faisceau de pions. Les différentes étapes de l’analyse sont ensuite présentées, en insistant sur l’identification des électrons. Une étude détaillée de l’ajustement de la réponse du détecteur RICH, qui est crucial pour la discrimination entre électrons et pions est réalisée. Puis, l’extraction du signal de production de di-électrons, ainsi que les problèmes de soustraction de la contribution de noyaux de carbone pour étudier les interactions pion-nucléon. Les outils existants pour l’interprétation des données sont ensuite introduits. En plus des modèles existants pour la réaction π⁻ρ →ne⁺e⁻, les résultats de l’analyse en ondes partielles des canaux 2πN peuvent être utilisés. La distribution de la masse invariante des paires e⁺e⁻ présente un excès par rapport à la production attendue pour des baryons ponctuels, ce qui confirme le rôle important de mésons _ hors-couche dans les facteurs de forme de transition électromagnétique dans ce domaine cinématique. Les résultats de l’analyse des distributions angulaires en utilisant le formalisme de la matrice densité sont aussi comparés`a un modèle théorique basé sur les contributions de plusieurs résonances. Cette comparaison montre que les distributions angulaires apportent des informations supplémentaires sur la structure des transitions baryoniques électromagnétiques. Cette analyse est utilisée pour motiver des expériences futures pour étudier les transitions électromagnétiques mettant enjeu des baryons non-étranges.

The subject of this thesis is the analysisof dielectron (e⁺e⁻) production channels produced in pion induced reactions with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES) at a center of mass energy close to 1.5 GeV, where baryon resonances in the second resonance region (N(1440), N(1520),...) can be excited. The objective is to bring information on electromagnetic baryon transitions in an unexplored kinematic region, where vector mesons (ρ, w) are expected to play an important role. These measurements can also be used as a reference for studies of in-medium e⁺e⁻ production, investigating the modifications of the ρ meson spectral function. The document begins with a presentation of the results already obtained by the HADES collaboration concerning dielectron production. Then the different steps of the data analysis are presented, with a focus on the electron identification. For this purpose a careful study on how to tune in simulation the response of the RICH detector, fundamental for the discrimination between pions and electrons, is performed. The extraction of the signal for dielectron production is then discussed, together with the problem of subtracting the carbon contribution from the polyethylene target to study pion-nucleon interactions. The existing tools for the interpretation of the data are then presented.In addition to existing models for the π⁻ρ →ne⁺e⁻ reaction, the results of Partial Wave analysis of then γn→ π⁻ρ reaction as well as for π⁻ρ →2 πN channels can be used.The e⁺e⁻ invariant mass distribution shows a clear enhancement with respect to a production by point like baryons, and confirms the significant role of off shell ρ mesons in electromagnetic form factors in this kinematic range. Results of the analysis of the angular distributions using the framework of the spin density matrix are also compared to a theoretical model based on several resonance contributions. This demonstrates the additional information provided by angular distributions to extract information on electromagnetic structure of baryon transitions. This analysis is used to motivate further experiments to study electomagnetic transitions involving non-strange baryons.