Sonder la saturation des gluons dans les processus semi-durs γ(*)+p/A

Probing gluon saturation in semi-hard γ(*)+p/A processes

• Auteur / Autrice : Emilie Li
• Direction : Samuel Wallon, Lech Szymanowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Asmâa Abada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitri Colferai, Krzysztof Golec-Biernat, Jamal Jalilian-Marian, François Gelis, Charlotte Van Hulse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dimitri Colferai, Krzysztof Golec-Biernat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Partons

Physique des hautes énergies

Chromodynamique quantique

Mots clés libres

Chromodynamique quantique (QCD)

Saturation

Condensat de verre de couleur

Formalisme des ondes de choc

Quantum chromodynamics (QCD)

Saturation

Colour Glass Condensate

Shockwave formalism

Résumé

Dans les collisionneurs à haute énergie, les processus QCD impliquent au moins deux échelles: l’énergie dans le centre de masse s et une échelle dure Q^2 qui permet la factorisation des processsus en une partie dure calculable via les méthodes perturbatives des diagrammes de Feynman et une partie non-perturbative comme par exemple les fonctions de distribution de partons (PDFs). Cependant, des grands logarithmes peuvent apparaître compensant la petitesse de la constante de couplage. Ces corrections doivent être resommées et cela mène aux équations d’évolution Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi (DGLAP) aux énergies modérées. Dans la limite semi-dure, appelée aussi limite de Regge-Gribov, characterisée par s >> Q^2 >> Λ^2_QCD, des grands logarithmes de l’énergie doivent être resommés via l’approche Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL). Dans cette limite des hautes énergies, les gluons dominent la structure interne des nucléons et que ce soit dans le formalisme de BFKL ou de DGLAP, la distribution de gluon augmente avec l’énergie du centre de masse, ce qui ne peut pas continuer indéfiniment car cela mène à une augmentation des sections efficaces avec l’énergie qui éventuellement viole l’unitarité. Aux très hautes énergies, des effets non-linéaires comme la recombinaison de gluons ont été prédits, menant à la saturation gluonique. Des signes de cette saturation ont été trouvés dans les données expérimentales actuelles, mais aucune n’est concluante. Il est clair qu’une découverte sans ambiguïté de cette saturation gluonique nécessite l’identification et le calcul précis au-delà de l’ordre dominant d’observables sensible à la physique de la saturation. Cette thèse participe aux récents efforts menés par la communauté des hautes énergies afin d’atteindre ce but. Deux théories effectives équivalentes, qui sont toutes deux introduites dans le manuscrit, sont utilisées dans les calculs analytiques d’observables variées pouvant être étudiées expérimentalement au Grand collisionneur de hadrons (LHC) via des collisions ultra-périphériques ou dans des collisionneurs futurs, principalement le collisionneur électron-ion (EIC) et le Grand collisionneur électron-hadron (LHeC) via des diffusions profondément inélastiques inclusives ou diffractives. Nous proposons et étudions tout particulièrement deux nouvelles classes de processus dans le but de mettre en évidence la saturation gluonique. Tout d’abord, l’approche des ondes de choc est utilisée dans le calcul à l’ordre sous-dominant en perturbation des sections efficaces de production diffractive d’une paire de hadrons et de production diffractive d’un seul hadron dans une collision γ(*) + p/A, le photon pouvant être réel ou virtuel. Nous démontrons d’abord que les différentes divergences (molles, colinéaires, en rapidité et ultra-violettes) s’éliminent entre elles puis nous extrayons analytiquement le terme fini. Par ailleurs, nous calculons à l’ordre dominant, à l’aide du formalisme du condensat de verre de couleur, la section efficace de production inclusive de quarkonium + gluon dans une collision profondément inélastique.

At high-energy colliders, QCD processes involve at least two scales: the centre-of-mass energy s and a hard scale Q^2 that allows the factorization of processes into a hard part computable using the perturbative methods of Feynman diagrams and a non-perturbative part such as parton distribution functions (PDFs). However, large logarithmic corrections can arise, compensating the smallness of the coupling constant. They have to be resummed, leading to the Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi (DGLAP) evolution equations at moderate energies. In the semi-hard limit or Regge-Gribov limit characterized by s >> Q^2 >> Λ^2_QCD, the large energy logarithms are resummed using the Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov (BFKL) approach. In this high-energy domain, gluons dominate the inner structure of nucleons. In both BFKL and DGLAP formalisms, a rise of the gluon distribution is predicted. This rise cannot indefinitely continue as it leads to a growth of cross-sections with energy that eventually violate unitarity. At very high energy, non-linear effects such as gluon recombination have been theoretically predicted, leading to gluon saturation. Strong hints of gluon saturation have been found in the currently available experimental data but they have not been conclusive. It has been clear that its unambiguous discovery requires the identification and precise beyond leading order computations of observables that are sensitive to saturation physics. This thesis contributes to the efforts, in recent years, of the high-energy physics community towards such a goal. Two equivalent effective field theories -that will be both introduced in the thesis- have been employed to analytically compute various observables that can be studied experimentally at the Large Hadron Collider (LHC) with ultra-peripheral collisions or at future colliders, mainly the Electron-Ion Collider (EIC) and the Large Hadron electron Collider (LHeC) in diffractive or inclusive Deep Inelastic Scattering (DIS). We propose and study two novel types of processes to investigate saturation physics. First, we use the shockwave approach to calculate at the next-to-leading order the cross-section for di-hadron and single-hadron diffractive production in γ(*) + p/A collision, i.e. in electro- or photoproduction. We show the explicit cancellation of the different divergences (soft, collinear, in rapidity and ultraviolet) and extract the finite term. Second, we compute the cross-section for the inclusive quarkonium + gluon production in DIS at leading order using the Colour Glass Condensate (CGC) formalism.