Approches continues de QCD et structure 3D des hadrons

Continuum QCD approaches to the 3D structure of the nucleon

• Auteur / Autrice : Michael Riberdy
• Direction : Cédric Mezrag, Hervé Moutarde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 04/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique nucléaire (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Blossier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Pasquini, Jakub Wagner, José Rodriguez-Quintero, Renaud Boussarie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Barbara Pasquini, Jakub Wagner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromodynamique quantique

Fonctions d'onde

Partons

Mots clés libres

Distribution de partons généralisées

Fonctions d'onde du cône de lumière

Chromodynamique quantique

Processus exclusifs

Équations de Dyson-Schwinger

Moment angulaire orbital des quarks

Generalized Parton Distributions

Lightfront Wave Functions

Quantum Chromodynamics

Exclusive processes

Dyson-Schwinger equations

Quarks orbital angular momentum

Résumé

Premier aspect : Modélisation des GPDs via les fonctions d'onde du cône de lumière (FOCLs)L'étude améliore les moyens de trouver les fluctuations des nucléons en terme de quarks d'helicité définie. Elle utilise une représentation des distributions généralisées de partons (GPD) fondée sur des FOCLs de moment angulaire orbital de quark défini. Ces FOCLs sont importantes dans les développements de Fock des états hadroniques et sont des projections d'amplitudes à trois quarks. Les projections 3D du cône de lumière de ces amplitudes sont utilisées pour restaurer une interprétation probabiliste. Les amplitudes à trois quarks à projeter, à leur tour, sont des fonctions d'onde définies par des éléments de matrice de nucléon hors diagonale, ce qui permet d'obtenir des LFWF de nucléon de divers moments angulaires orbitaux définis (OAM).Avec ces FOCLs d'hélicité de quark définie, l'étude calcule les GPD par recouvrement. Cette approche permet d'isoler les contributions d'OAM défini aux GPDs des nucléons, aux fonctions de distribution des partons, aux facteurs de forme électromagnétiques et au rayon électrique du nucléon. L'importance de ce travail réside dans son potentiel à cartographier les contributions des états OAM de quark distincts à la structure du nucléon. Second aspect : repondération bayésienne des répliques de GPD en utilisant des données de simulation factice. Une étude systématique est présentée pour démontrer l'impact des données QCD sur réseau sur l'extraction des GPDs. Pour ce faire, un ensemble préalablement développé de modèles de GPDs basés sur des techniques d'apprentissage automatique est utilisé. La modélisation sous-jacente respecte les exigences théoriques, notamment la polynomialité, une forme de contrainte de positivité et des limites connues. Une attention particulière est accordée à l'estimation de l'incertitude découlant de la connexion complexe entre les GPDs et les processus expérimentaux, notamment la diffusion Compton à grande virtualité. Des données de QCD sur réseau factices sont stratégiquement incluses dans un cadre bayésien, réduisant l'incertitude associée aux modèles. L'accent est mis sur l'évaluation de l'impact de la précision, de la corrélation et de la couverture cinématique des données de simulation sur la réduction de l'incertitude, en particulier à obliquité modérée. Cela permet d'établir un lien entre les praticiens de la QCD sur réseau et la modélisation GPDs en examinant les contraintes sur les données simulées nécessaires pour maximiser la réduction de l'incertitude du côté de la modélisation des GPDs. En résumé, cette thèse de doctorat présente une exploration doublement axée sur la dynamique des quarks au sein de la structure nucléonique. Le premier aspect affine la modélisation des GPDs via les fonctions d'onde du cône de lumière (FOCLs), isolant les fluctuations de la projection d'hélicité des quarks et cartographiant la structure multidimensionnelle du nucléon. En complément, le deuxième aspect réalise une étude d'impact, incorporant des données de réseau factices pour contraindre la modélisation préalable des GPDs effectuée précédemment. Utilisant un cadre bayésien, ce travail affine les incertitudes résultant d'un modèle, éclairant ainsi les utilisations possibles des études de QCD sur réseau destinées à alimenter la modélisation des GPDs en combinaison et en complément des données expérimentales actuelles à venir.

This PhD thesis encompasses two distinct yet interrelated aspects that contribute to the understanding of quark dynamics within the nucleon structure.First Aspect: GPD Modeling via LFWFsThe study improves ways to find quark helicity projection nucleon fluctuations. It uses a representation of Generalized Parton Distributions (GPDs) with definite quark orbital angular momentum Light Front Wave Functions (LFWFs). These LFWFs are important in Fock expansions of hadronic states, and are projections of three-quark amplitudes . The 3D light cone projections of such amplitudes are used to restore a probabilistic interpretation. The three-quark nucleon amplitudes to be projected, in turn, are wave functions defined through off-diagonal nucleon matrix elements, leading to the derivation of nucleon LFWFs of various definite orbital angular momenta (OAM).With these definite quark helicity LFWFs, the study calculates GPDs as combinations of their overlaps. This approach facilitates isolation of definite OAM contributions to nucleon GPDs, Parton Distribution Functions (PDFs), Electromagnetic Form Factors (FFs), and the electric nucleon radius. The significance of this work lies in its potential to map the contributions of distinct quark OAM states to nucleon structure.Second Aspect: Bayesian Reweighting of GPD Replicas Using Mock Lattice DataA systematic study is presented to demonstrate the impact of lattice QCD data on the extraction of GPDs. To achieve this, a previously developed set of GPD models based on machine learning techniques is employed. The underlying modeling adheres to theoretical requirements, including polynomiality, a form of positivity constraint, and known limits. Special attention is given to estimate uncertainty arising from the challenging connection between GPDs and experimental processes, notably deeply virtual Compton scattering (DVCS).Mock lattice QCD data inputs are strategically included in a Bayesian framework, reducing the uncertainty associated with the models. Emphasis is placed on assessing the impact of precision, correlation, and kinematic coverage of lattice data on uncertainty reduction, particularly at moderate skewness. This allows for a connection between lattice QCD practitioners and GPD modeling by investigating the constraints on lattice data necessary for the greatest reduction of uncertainty on the modeling side of nucleon GPD physics.In summary, this PhD thesis presents a dual-focused exploration of quark dynamics within the nucleon structure. The first aspect refines GPD modeling through LFWFs, isolating quark helicity projection nucleon fluctuations and delineating the multidimensional structure of the nucleon. Complementing this, the second aspect conducts an impact study, incorporating mock lattice data to constrain prior GPD modeling by colleagues of the candidate. Utilizing a Bayesian framework, the study refines uncertainties resulting from a prior model based on Goloskov and Kroll's phenomenological approach, and in doing so elucidates possible uses of directed lattice QCD studies intended to feed GPD modeling in combination and complement to current and future experimental data.