Study of the internal structure of the proton with the PANDA experiment at FAIR

Etude de la strucutre interne du proton avec l'experience PANDA à FAIR Le proton est un état lié de quarks qui sont maintenus ensemble par l’interaction forte dont les médiateurs sont les gluons. La compréhension de la structure du proton est actuellement l’une des questions centrales de laphysique hadronique. Le présent travail rend compte des études phénoménologiques et expérimentales reliées aux possibilités offertes par le faisceau d’antiprotons qui sera disponible au futur complexe accélérateur FAIR à Darmstadt, dans la gamme d’impulsion entre 1.5 et 15 GeV/c. Après une classification des réactions qui sont accessibles dans l’annihilation proton-antiproton, les caractéristiques principales du détecteur PANDA sont décrites. Un chapitre de cette thèse est consacré à l’étude du couplage optique entre les cristaux et les photo-diodes du calorimètre électromagnétique, qui sera exploité à basse température (-25° C). Les propriétés mécaniques, thermiques, optiques et la résistance aux radiations de deux colles commerciales sont quantifiées.Des études de faisabilité de la réaction pbarp → e+e− pour la mesure des facteurs de forme du proton dans la region temps à PANDA sont présentées. La structure électromagnétique du proton est parametrisée par ses facteurs de forme électrique GE et magnétique GM. L’interaction électromagnétique est bien décrite par la théorie de l’électrodynamique quantique. L’outil usuel pour déterminer les facteurs de forme électromagnétiques du proton est la diffusion élastique électron-proton polarisée et non polarisée, sous l’hypothèse que l’interaction se produit par l’échange d’un seul photon virtuel. La reaction croisée pbarp → e+e− permet d’accéder à la region temps. Les réactions du bruit de fond sont également étudiées, en particulier la réaction pbap → π+π−. Les résultats obtenus à partir d’une simulation Monte Carlo réaliste en utilisant le logiciel PANDARoot montre que le rapport des facteurs de forme du proton peut etre mesuré à PANDA avec une précision sans précédent. Les effets des corrections radiatives dus à l’émission de photons réels et virtuels sont considérés.Basé sur un formalisme modèle indépendant, le calcul des observables expérimentales pour la reaction pbap → e+e− est étendue à l’annihilation en une paire de leptons lourds qui porte la méme information physique sur la structure du proton que les électrons. Dans ce cas, la masse du lepton ne peut pas etre négligée. Le méme formalisme est également appliqué dans la région espace à la diffusion élastique des protons par des électrons au repos (cinématique inverse). La diffusion pe-élastique puisse etre utilisée pour polariser et/ou mesurer la polarisation des faisceaux de protons (antiprotons)de haute énergie, et elle permette également de mesurer le rayon de charge du proton.