Etudes de la structure des nucléons au laboratoire Jefferson et au collisioneur électrons-ions

Nucleon structure studies at Jefferson Lab and the Electron-Ion Collider

• Auteur / Autrice : Noémie Pilleux
• Direction : Silvia Niccolai, Carlos Muñoz Camacho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 14/10/2024
• 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 : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Nicole D'Hose
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Matthew Nguyen, Raffaella De Vita, Charlotte Van Hulse, Maria Żurek, Bryan McKinnon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthew Nguyen, Raffaella De Vita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons

Calorimètres électromagnétiques

Partons

Diffusion lepton-nucléon

Mots clés libres

Structure du nucléon

Jefferson Lab

Collisionneur Electron-Ion

Physique hadronique

Jefferson Lab

Electron-Ion Collider (EIC)

Nucleon structure

Hadron physics

Résumé

Les programmes de recherche du laboratoire Jefferson (JLab) et du futur Collisionneur Électron-Ion (EIC) se concentrent sur l'une des thématiques majeures de la physique de l'interaction forte : la compréhension de la structure des nucléons en termes des quarks et des gluons qui les constituent. Cette structure est encodée dans des fonctions telles que les Distributions de Partons Généralisées (GPDs), qui décrivent comment la position transverse et l'impulsion longitudinale des partons sont distribuées dans les nucléons. Les GPDs permettent d'obtenir des images en trois dimensions des nucléons et de comprendre des propriétés fondamentales telles que les forces de pression qui règnent en leur sein ou la façon dont leur spin émerge de la dynamique des partons qui les composent. À JLab et à l'EIC, des faisceaux d'électrons sont utilisés pour sonder l'intérieur des nucléons. La mesure des réactions exclusives d'électroproduction, telles que la Diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), donne accès aux GPDs.En 2022-2023, la première expérience sur cible polarisée du programme CLAS12 à JLab a eu lieu. En combinant des faisceaux d'électrons et des cibles de nucléons polarisés longitudinallement, cette expérience offre un accès unique à des observables permettant de mesurer différents types de GPDs. En particulier, les asymétries de spin de faisceau et de cible pour le DVCS sur le proton et le neutron dans le deutérium seront mesurées pour la première fois. Elles donnent accès à des types de GPDs encore peu connus, et la comparaison entre le proton et le neutron permet d'extraire la contribution des différentes saveurs de quarks à la structure des nucléons. Des méthodes d'analyse spécifiques ont été implémentées pour travailler avec une cible nucléaire polarisée et sont présentées dans cette thèse. Ces méthodes permettent d'obtenir des résultats préliminaires sur les asymétries, en attendant que la totalité des statistiques soit disponible.À plus long terme, le programme expérimental de l'EIC a été établi avec une emphase importante sur les mesures de la structure des nucléons à haute énergie. La mesure de réactions telles que le DVCS impose notamment des contraintes strictes pour le calorimètre électromagnétique qui permettra de mesurer l'énergie des électrons et des photons diffusés. Ce calorimètre, dont le développement est en cours, sera basé sur des cristaux scintillants lus par des multiplicateurs de photon à pixels (MPPC). Un nouveau type de matériel scintillant à base de verre a été testé, évaluant les possibilités de répondre aux exigences techniques pour le calorimètre, en particulier concernant le rendement en lumière et la résistance aux radiations. Plusieurs modèles de MPPCs ont été caractérisés, établissant qu'ils peuvent opérer sur la large plage dynamique nécessaire pour atteindre les objectifs scientifiques de l'EIC et donnant les lignes directrices pour le développement de leur électronique de lecture.

The research programs of Thomas Jefferson Laboratory (JLab) and the future Electron-Ion Collider (EIC) focus on one of the main goals of strong interaction studies: understanding the structure of nucleons in terms of the quarks and gluons composing them. Their structure is encoded in functions such as Generalized Parton Distributions (GPDs), which describe how quarks and gluons' transverse position and longitudinal momentum are distributed inside nucleons. GPDs allow to obtain three-dimensional pictures of nucleons and to understand some of their fundamental properties, such as their internal pressure or the emergence of their spin from the dynamics of the partons composing them. At JLab and the EIC, electron beams are used to probe nucleons. Measurement of reactions such as Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) allows access to GPDs.The first longitudinally polarized-target experiment of the CLAS12 program at Jlab took place in 2022-2023. Combining polarized electron beams and nucleon targets, this experiment offers unique access to observables that allow the measurement of different types of GPDs. In particular, the DVCS beam- and target-spin asymmetries for protons and neutrons in deuterium will be measured for the first time. They give access to kinds of GPDs that are still poorly known, and the comparison between proton and neutron data will allow the extraction of the flavor dependence of the structure of nucleons. Specific analysis methods have been implemented to work with a polarized nuclear target and are presented in this thesis. These methods allow to obtain preliminary results for the asymmetries, waiting for the complete statistics to be available.In the long term, the experimental program for the EIC has been established with a strong emphasis on the measurement of the structure of nucleons at high energy. Measurements of reactions such as DVCS impose strict requirements on the electromagnetic calorimeter that will allow to measure the energy of the scattered electrons and photons. This calorimeter, which is under development, will be based on scintillating crystals read by Silicon Photomultipliers (SiPMs). A new type of glass-based scintillating material was tested, evaluating the possibilities to meet the technical requirements concerning their light yield and resistance to radiation damage in particular. Several models of SiPMs have been characterized, demonstrating they can operate over the vast energy range necessary to address the physics case at the EIC and providing guidelines for developing their readout electronics.