Étude de la structure du nucléon avec CLAS12 à Jefferson Lab : diffusion Compton de genre temps et le détecteur central de neutron

Nucleon structure studies with CLAS12 at Jefferson Lab : timelike Compton scattering and the central neutron detector

• Auteur / Autrice : Pierre Chatagnon
• Direction : Silvia Niccolai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique hadronique
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Michel Guidal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Vanderhaeghen, Stepan Stepanyan, Raffaella De Vita, Fabrizio Ferro, Bernard Pire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Vanderhaeghen, Stepan Stepanyan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Partons

Quarks -- Confinement

Gluons

Diffusion lepton-nucléon

Mots clés libres

GPDs

Gluons

Structure du nucléon

Réaction exclusive

Diffusion d’électron

Quarks

GPDs

Gluons

Nucleon structure

Exclusive reactions

Electron scattering

Quarks

Résumé

Les protons et les neutrons sont les constituants principaux de la matière visible de l'univers. Leur structure, constituée de trois quarks de valence baignés dans un nuage de quarks de la mer et de gluons, est régis par la théorie de la chomodynamique quantique (QCD). Cependant, aux énergies comparables à la masse du nucléon, les propriétés de QCD ne peuvent pas être calculées par des méthodes perturbatives. Des fonctions de structure doivent être utilisées pour pouvoir décrire les nucléons. Les distributions de parton généralisées (GPD) sont un ensemble de fonctions de structure, introduites dans le courant des années 90. Elles modélisent la position transverse et le moment longitudinal des quarks et des gluons, les constituants élémentaires des nucléons. La phénoménologie de ces fonctions est très singulière. Elles sont en particulier étroitement liées à la structure de spin et aux propriétés mécaniques des nucléons. La mesure des GPDs est donc un élément déterminant dans la compréhension de la structure élémentaire de la matière. Le but de cette thèse est de fournir de nouvelle donnée pour l'étude des GPDs, en particulier avec la mesure inédite de la diffusion Compton de genre temps avec le détecteur CLAS12 à Jefferson Lab.Cette thèse est divisée en trois parties. Dans la première partie, la théorie des GPDs et leur modélisation est présentée. Le lien entre ces fonctions et des réactions mesurables est aussi établi, le concept de facteurs de forme Compton (CFF) est notamment introduit. De plus, les relations entre les GPDs et les différentes contributions des quarks au spin du nucléon, la correspondance entre la partie réelle des CFFs et les propriétés mécaniques du nucléons et enfin la possibilité de réaliser une image 3D du nucléon sont mises en lumière.La seconde partie du manuscrit est consacrée au travail que j'ai réalisé sur le détecteur central de neutrons de CLAS12 (CND). Le CND est un détecteur cylindrique formé par des scintillateurs en plastique. Il a été conçu pour augmenter les capacités de détection des neutrons dans la partie centrale de CLAS12. Après avoir présenté les motivations physiques de la construction du CND, le design, la procédure de calibration, de reconstruction et de simulation sont expliqués. Enfin, les performances du CND, mesurées à partir de données réelles sont comparées aux spécifications du design initial.Enfin, dans la dernière partie, la mesure expérimentale de la réaction de photo-production d'une pair de lepton sur le proton, ou diffusion Compton de genre temps (TCS) est exposée. Cette réaction permet d'accéder à des propriétés des GPDs encore mal connues, comme la partie réelle des CFFs. Le dispositif expérimental utilisé pour cette expérience est d'abord présenté. L'analyse de données est ensuite détaillée et les résultats obtenus sont présentés et discutés.

The nucleons, protons and neutrons, are the main constituents of visible matter in the universe. Their structure, three valence quarks surrounded by a cloud of sea quarks and gluons, is described by the theory of quantum chromodynamics (QCD). However, the properties of QCD cannot be computed perturbatively at energies comparable to the nucleon mass. Hence, structure functions were adopted to model the inner structure of nucleons. The Generalized Partons Distributions (GPD), were introduced in the 90's to provide a description of the nucleon in terms of both the transverse position and the longitudinal momentum of its quarks and gluons. These functions contain a large amount of information and are closely related to the nucleon spin and mechanical architecture. Their experimental measurement is a key element for the understanding of fundamental properties of matter. The main focus of this thesis is to provide new data for GPD studies, with a first-time measurement of Timelike Compton Scattering at Jefferson Lab with the CLAS12 detector.This thesis is divided in three parts. The first part presents the theory of GPDs, current models and their link with physical processes that can be experimentally measured. The relation between GPDs and experimental observables is discussed, and the concept of Compton Form Factors (CFF) is introduced. In addition, the link between the spin and the mechanical properties of the nucleon, as well as the possibility of performing a 3D imaging of the nucleon with GPDs is highlighted.The second part of the manuscript is dedicated to the work I performed on the Central Neutron Detector (CND). The CND is a plastic scintillator barrel built to increase the neutron detection capabilities of CLAS12 in its central region. After presenting the physical motivations for the building of this detector, its hardware implementation, calibration, reconstructions and simulation aspects are detailed. At the end of this part, the CND performances using real data are measured and compared to its design specifications.Finally, the third part covers the experimental measurement of the photo-production of a lepton pair off the proton, the Timelike Compton Scattering process (TCS). This reaction offers an insight on some properties of GPDs which are not well constrained by the reactions measured so far, in particular the real part of CFFs. The experimental setup used for data taking is described. The subsequent data processing and analysis is explained, and results for three different observables are shown.