Etude des réactions d'annihilation proton-antiproton et contribution expérimentale à la polarimétrie hadronique

Study of Antiproton-proton Annihilation Reactions and Experimental Contribution to Hadron Polarimetry

• Auteur / Autrice : Ying Wang
• Direction : Egle Tomasi-Gustafsson, Dominique Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique hadronique
• Date : Soutenance le 07/07/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Orsay, Essonne ; 1956-2019)
• Jury : Président / Présidente : Tiina Suomijärvi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Egle Tomasi-Gustafsson, Dominique Marchand, Tiina Suomijärvi, Marco Maggiora, Frank Maas, Nikolai Piskunov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Maggiora, Frank Maas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pions (particules)

Polarisation (physique nucléaire)

Interactions hadron-hadron

Antiprotons

Mots clés libres

Phénoménologie

Physique hadronique

Polarimétrie

Phenomenology

Hadronic physics

Polarimatry

Résumé

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la physique hadronique et consiste en des études phénoménologiques et expérimentales dédiées à la structure interne des nucléons et reliées aux mesures des facteurs de forme des hadrons dans les régions temps et espace. Dans le cadre du futur complexe accélérateur d'antiprotons et d'ions (FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research) à Darmstadt, Allemagne, un programme expérimental dont le but est la mesure des facteurs de forme électromagnétiques du proton dans la région temps est prévu auprès du détecteur de grande acceptance PANDA (anti-Proton Annihilation at Darmstadt) à partir des réactions d'annihilation pbar p -> e+ e- dans l'intervalle en énergie 2.25(1.5) <sqrt(s)(p L ) < 5.47(15) GeV (GeV/c), où sqrt(s)(p L ) est l'énergie totale dans le système centre de masse (l'impulsion du faisceau dans le référentiel du laboratoire). La difficulté réside dans l'extraction du signal d'intérêt dans le bruit de fond des voies hadroniques, principalement la production d'une paire de pions chargés. L'étude phénoménologique de la production d'une paire de mésons dans l'annihilation pbar p représente l'un des sujets de cette thèse. Le but de cette étude est double : d'une part, être capable de mieux évaluer le bruit de fond hadronique et d'autre part, accroître nos connaissances sur la structure interne des hadrons car une telle réaction contient des informations sur le contenu en quarks des nucléons. Un modèle effectif de mésons a été développé pour évaluer la section efficace d'annihilation pbar p en une paire de pions légers, dans le domaine en énergie d’intérêt. Un facteur de forme logarithmique a été introduit pour modéliser la nature composite des hadrons en interaction. Ce modèle s'applique aussi à la diffusion élastique pion proton, par symétrie de croisement, et à la production d'une paire de kaons chargés, suivant la symétrie SU(3). Le modèle a été ensuite étendu à différentes voies neutres telles pi0-pi0, eta-eta, pi0-eta. Les résultats obtenus sont présentés et comparés aux données existantes. Dans la région espace, l'effort expérimental entrepris à Jefferson Lab (Newport News, VA, USA) et dédié à la mesure précise du rapport des facteurs de forme électromagnétiques du proton dans la diffusion élastique doublement polarisée ep, sera poursuivi à plus haut quadri-moment transféré carré, au-dessus de 10 GeV2, et concernera aussi le neutron. Cette méthode nécessite une mesure précise de la polarisation du proton ou du neutron de recul. Pour concevoir et optimiser la polarimétrie dans la région du GeV, une détermination de l'efficacité et des pouvoirs d'analyse, c'est-à-dire de la figure de mérite d'un polarimètre, est indispensable préalablement aux expériences à JLab. Dans ce contexte, j'ai contribué à l'expérience ALPOM2 (JINR Dubna, Russie), la seule expérience actuellement capable de mesurer les pouvoirs d'analyse protons et neutrons pour les mesures à JLab avec plusieurs types de cibles. Expérimentalement, un faisceau polarisé de protons ou de neutrons de 3.0, 3.75 et 4.2 GeV/c est obtenu par cassure du faisceau de deutons polarisés du Nuclotron et les fragments chargés issus des collisions avec les cibles de C, CH2, CH et Cu sont mesurés. Pour les neutrons, dans l'intervalle en impulsion de 1 à 6 GeV/c, deux processus ont été considérés pour déterminer les pouvoirs d'analyse : np -> np, et réaction avec échange de charge np -> pn. A partir de la comparaison des figures de mérite associées à chacun de ces deux processus, calculés par un modèle, la réaction avec échange de charge apparaît comme plus efficace pour la polarimétrie à haute énergie. Les pouvoirs d'analyse du neutron pour la réaction d'échange de charge sur des cibles CH et Cu ont été mesurés pour la première fois jusqu'à 4.2 GeV/c. Pour le proton, des données plus précises de pouvoir d'analyse ont été obtenues. Les résultats expérimentaux de l'analyse préliminaire sont présentés.

This thesis work, set in the framework of hadron physics, reports on a phenomenological and an experimental studies dedicated to nucleon internal structure, both related to hadron electromagnetic form factor measurements in the time-like and in the space-like regions.At the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany, an experimental program aiming to determine the proton electromagnetic form factors in the time-like region is planned with the PANDA (anti-Proton Annihilation at Darmstadt) large acceptance detector through the annihilation reaction pbar p -> e+ e- in the energy range 2.25(1.5) <sqrt(s)(p L ) < 5.47(15) GeV (GeV/c), where sqrt(s)(p L ) is the total energy in the center of mass system (the beam momentum in laboratory frame). In such reactions, the difficulty is to extract the signal of interest from the huge background coming from hadronic channels, mainly pion pair production. Phenomenological studies of meson pair production in pbar p annihilation is one of the subjects of this thesis. The goal is two-fold : to better evaluate the hadronic background and to improve our knowledge on the hadron internal structure as such reaction contains by itself useful information on the hadron quark content. An effective meson model has been developed to evaluate the cross section of pbar p annihilation into light meson pairs, in the energy domain relevant to the PANDA experiment. A logarithmic form factor is introduced to account for the composite nature of the interacting hadrons. The model was also applied to pi p elastic scattering, using crossing symmetry, and to charged kaon pair production, on the basis of SU(3) symmetry. The model has then been extended to different neutral channels pi0-pi0, eta-eta, eta-pi0 relying on SU(3) symmetry. In the range 3.362(5) <sqrt(s)(p L ) < 4.559(10.1) GeV (GeV/c), the results obtained are presented and compared to existing data.In the space-like region, the experimental effort started at Jefferson Lab (Newport News, VA, USA) and dedicated to precise measurements of the proton electromagnetic form factor ratio based on the recoil polarization method in elastic ep scattering, will be pursued up to higher four-momentum transfer squared, above 10 GeV2, and will be also applied to neutron. This method requires an accurate measurement of the polarization of the recoil particle, the proton or the neutron. In order to design and optimize the polarimetry in the GeV region, the determination of the efficiency and the analyzing powers, that combine into the figure of merit of a polarimeter, is mandatory prior to perform the experiments at JLab. In this context I contributed to the ALPOM2 experiment (JINR Dubna, Russia), the only experiment right now able to measure proton and neutron analyzing powers in the momentum range of interest for Jefferson Lab measurements and allowing considering different types of target. Experimentally, in the framework of ALPOM2, from the Nuclotron polarized deuteron beam, polarized proton and neutron beams at 3.0, 3.75 and 4.2 GeV/c were obtained by deuteron break-up and the charged fragments from the collisions with C, CH2, CH and Cu targets were measured. For neutrons, in the range from 1 to 6 GeV/c, two processes have been considered to determine the analyzing powers: np -> np and the charge exchange reaction np -> pn. From the comparison of the figures of merit associated to each of these two processes, the charge exchange reaction appears to be more efficient for polarimetry at high energy. Neutron analyzing powers for the charge exchange reaction on CH, and Cu targets have been measured up to 4.2 GeV/c for the first time. For the proton, more precise analyzing power data have been obtained. Experimental results of preliminary analysis are presented.