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Submitted on 9 Jan 2007
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Exploration de la diffusion Compton profondément virtuelle sur le neutron dans le hall A du Jefferson
Laboratory
Malek Mazouz
To cite this version:
Malek Mazouz. Exploration de la diffusion Compton profondément virtuelle sur le neutron dans le hall A du Jefferson Laboratory. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2006. Français. �tel-00123411�
UNIVERSITÉ JOSEPH FOURIER - GRENOBLE 1
ECOLE DOCTORALE DE PHYSIQUE
THÈSE de DOCTORAT
Spétialité
PHYSIQUE SUBATOMIQUE ET ASTROPARTICULES
présentée par
Malek MAZOUZ
pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l'UNIVERSITÉ JOSEPH FOURIER
Exploration de la diusion Compton
profondément virtuelle sur le neutron dans le
Hall A au Jeerson Laboratory
Soutenue le 8 déembre 2006 devant le jury omposé de :
Dr. Pierre-Yves BERTIN Examinateur
Pr. Johann COLLOT Président du jury
Dr. Kees DE JAGER Examinateur
Dr. Pierre-André-Marie GUICHON Rapporteur
Pr. Zein-Eddine MEZIANI Rapporteur
Dr. Eri VOUTIER Direteur de thèse
Je voudrais d'abord remerier Johann Collot pour m'avoir aueilli au sein du labo-
ratoire de physique subatomique et de osmologie et d'avoir présidé mon jury de thèse.
J'ai passé une grande partie de ma thèse au Jeerson Lab oùs'est déroulée l'expériene
DVCS, etje tiens àremerier Kees de Jagger,le hef de laollaborationdu HallA, pour
son aueil,sa partiipationàmon jury etson intérêt porté àe travail.Jevoudraiséga-
lementremerier mesdeux rapporteursPierre GuihonetZein-Eddine Mezianipourleur
letureattentivedeemanusritainsiquepourleurssuggestionsetremarquesfrutueuses.
J'estime que j'ai eu énormément de hane d'avoir Eri Voutier omme direteur de
thèse. Eri, tu m'as fait onane tout le long de es dernières années et tu as toujours
veillé à valoriser le travail de ette thèse. Ces quelques lignes de remeriements ne suf-
ront jamais à t'exprimer toute ma gratitude et mon estime. Je te serai éternellement
reonnaissant pour tout e que tuas faitpour moiet pour tout e quetu m'as appris.
J'ai eu l'immense plaisir de travailler ave Pierre Bertin et de proter de sa grande
expériene et savaste onnaissanede laphysique. Pierre, j'ai beauoup appréié tadis-
ponibilité pour le nombre inalulable de questions que je t'ai posées. Meri beauoup
pour tous les onseils et toutes les idées que tu m'as donnés. Je te serai éternellement
reonnaissant pour tout e que tum'as appris.
Cetravailaétérendupossiblegrâeàlaontributiondetouteuneéquipeetplusparti-
ulièrementAlexandreCamsonneetCarlosMuñoz-Camahoquisontlesdeuxex-thésards
desexpérienes DVCSduHallA.Alex,meribeauouppourtonaueilàNewportNews,
pourton aide etaussi pour tes nuits blanhes onsarées àfairemarher l'életroniqueet
le système d'aquisition. Carlos, un grand meri pour ton aide et pour les innombrables
disussionsauoursdesquellestum'asapprisbeauoupdehoses.Meriaussipourtoutes
lesremarquesetsuggestionsquetum'asdonnéespourmonmanusritetmestransparents.
Jetiensàremerier touslesservies ettouteslespersonnes du LPSCimpliquéesdans
la onstrutionet ledéveloppement du déteteur d'étiquetage. Plus partiulièrement,un
grand meriàJean-FrançoisMuraz etson équipequiont développéetassemblé ledéte-
teur en un temps reord.
Je voudrais aussi remerier les diérents membres de la ollaboration DVCS qui ont
Hyde-Wrightpourleurs idées etremarques toujours frutueuses. Meri aussi àCatherine
Ferdi, Helena Kuhina et Gagik Gavalian pour l'aide onsidérable qu'ils ont apporté au
travail d'analyse. Enn, meri à tous les stagiaires : Jean-Mar Fieshi, Astrid Chante-
lauze etMathieu Beaumel pour leur partiipation àe travail.
J'ai évolué pendant mes années de thèse au sein du groupe JLab/G0 du LPSC et je
tiens à remerier haleureusement tous ses membres ou ex-membres. Un grand meri à
SergeKox,ChristopheFurgetetJean-SébastienRéalquiétaienttoujoursdisponiblespour
répondre aux diérentes questions que je leur posais. J'ai vraiment appréié leur aueil
et leurs onseils qui m'ont beauoup aidé. Je voudrais aussi remerier Gilles Quemener
et Jean Mougey pour leur disponibilité et leur gentillesse. Meri également à tous les
ex-étudiants du groupe qui m'ont aidé au début de mathèse : GuillaumeBatigne, Emi-
lie Penel-Nottaris et Benoît Guillon sans oublier Maud Versteegen et Javier Rodriguez-
Vignote ave qui j'ai partagélebureau es derniers temps.
Jene peuxpas nires remeriementssans penser àelui quim'a transmissapassion
pour les sienes et m'a donné l'envie de faire une thèse en physique il y a presque dix
ans. La qualité de sa formation et ses onseils m'ont servi tout le long de mes études et
ontinuent à me servir aujourd'hui. Je voudrais don remerier du fond du oeur mon
professeurAbdel-Wahed Khalfallah.
Finalement,je voudrais dédier ette thèse à mes parents, à ma familleet à tous mes
amis.
Introdution 11
1 Aperçu de la théorie : GPD et DVCS 17
1.1 Les diusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.1 Elastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1.2 Inélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.3 Théorème optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2 Distributionsde Partons Généralisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3 Propriétés et ontraintes des GPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.0.1 Limite en avant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.0.2 Règles de somme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Paramétrisation des GPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1 GPD du nuléon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1.1 Fatorisation de la dépendane en
t
. . . . . . . . . . . . . 261.4.1.2 Dépendane en
t
non-fatorisée . . . . . . . . . . . . . . . 271.4.2 GPD du deuton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 DiusionCompton profondément virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Expression de la setioneae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.1 Interférene DVCS-BH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6.2 Une approhe de la setioneae expérimentale . . . . . . . . . . 30
1.6.2.1 Sur le nuléon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.6.2.2 Sur le deuton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.7 Expérienes DVCS dans leHall A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7.1 DVCS sur le proton: E00-110 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.7.2 Motivations etinématique de E03-106 . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Dispositif expérimental 37 2.1 Une expérieneen physique hadronique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 JLabet l'aélérateurCEBAF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 La soure d'életrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 L'aélération des életrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 Les Hallsexpérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 HallA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1.1 Mesure de l'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.1.2 Mesure de la position. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1.3 Mesure de intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1.4 Mesure de la polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 Lesibles utilisées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2.1 Ciblesryogéniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.2.2 Chambre de réation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.3 Lesspetromètres de haute résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4 Contexte de l'expériene DVCS sur leneutron . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Equipements DVCS dans leHall A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.1 Lealorimètre életromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.2 LeProton Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6 Eletronique assoiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.1 Analog RingSampler(ARS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.2 L'aquisitiondes données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Déteteur d'étiquetage 59 3.1 Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2 Géométrie du déteteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Choix des matériaux etoptimisation de leurs épaisseurs . . . . . . . 60
3.2.2 Optimisationdes lattes de sintillateurs. . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 Eletronique assoiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Colletion de lalumière. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Bande test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 Résultatset ongurationnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.5 Calibration à JLab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Analyse préliminaire 69 4.1 Analyse en formedes ARS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Zéro signal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 Unseul signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.3 Deux signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1.4 Lesparamètres de l'analyse en forme . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 Regroupement en amas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Eaité du L-HRS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Temps de vie de la branhe T3 et T4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Eaité des sintillateursS1 etS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3 Eaité des hambres à ls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4 Calibration du temps de oïnidenedu alorimètre.. . . . . . . . . . . . . 80
4.4.1 Alignementdes déalages des blos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.2 Ajustement du déalage du sintillateurS2(L-HRS) . . . . . . . . . 81
4.4.3 Propagationde lalumière dans leslattes de S2. . . . . . . . . . . . 82
4.5 Calibration de l'énergiedu alorimètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.1 Calibration prinipale de l'énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.2 Calibration seondaire de l'énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.2.1 Ave les
π
− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.5.2.2 Ave les
π
0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.5.2.3 Conlusion sur la qualité de la alibration . . . . . . . . . 93
4.6 Calibration des déteteurs de reul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.1 Temps de oïnidene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6.2 Energie déposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Analyse en triple oïnidene 99 5.1 Séletion des protons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Séletion des neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3 Soustration des fortuites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 Analyse en double oïnidene 109 6.1 Séletion des événements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.1 Ave leL-HRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.1.1 Séletion des életrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.1.1.2 Coupures sur l'aeptane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.1.2 Ave lealorimètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1.2.1 Séletion des photons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1.2.2 Coupures sur l'aeptane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.1.3 Masse manquante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2 Ajustement des données ave une ibled'hydrogène . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.1 Ajustementde laalibration relative . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.2 Ajustementde larésolution relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.2.3 Ajout du momentde Fermi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3 ComparaisonHydrogène Deutérium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3.1 Normalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.3.2 Contributiondu neutron etdu deutonohérent . . . . . . . . . . . 118
6.3.3 Soustration de la ontamination
π
0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.3.4 Comparaison auxsetions eaes théoriques . . . . . . . . . . . . 121
6.3.5 Asymétrie et erreurssystématiques de la méthode . . . . . . . . . . 123
6.4 Simulationde l'aeptane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.1 Energie de l'életron initial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.4.2 Génération des événements DVCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.3 Appliationde larésolution expérimentale . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5 Extrationdes observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5.1 Méthode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.5.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.6.1 Interprétation des résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.6.2 Lesaméliorations pour des expérienes futures . . . . . . . . . . . . 132
6.6.2.1 Calibrationrelative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.6.2.2 Contamination
π
0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.6.2.3 Résolutionexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Conlusion 135
Bibliographie 137
