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Fiche détaillée Thèses
Université Paris Sud - Paris XI Johannes Gutenberg University (19/12/2011), Thierry Hennino;Frank Maas (Dir.)
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Feasibility studies of the pbar p -->pi0e+e- electromagnetic channel at PANDA
Jérôme Boucher1

The proton is described by the electric G_E and magnetic G_M form factors which characterise its internal structure. The way to measure the proton form factors consists in measuring the angular distribution of the e-p elastic scattering accessing the so-called Space-Like region where q^2<0. Using the crossed channel pbar p<-->e+e-, one accesses another kinematical region, the so-called Time-Like region where q^2>0. However, due to the pbar p<-->e+e- threshold q^2_{th}, only the kinematical domain q^2>q^2_{th}>0 is available. To access the unphysical region, one may use the pbar p --> pi0e+e- reaction where the pi0 takes away a part of the system energy allowing q^2 to be varied between q^2_{th} and almost 0. This thesis aims to show the feasibility of such measurements with the PANDA detector which will be installed on the antiproton ring at the FAIR facility at Darmstadt. To describe the pbar p --> pi0e+e- reaction, a Lagrangian based approach is developed. The 5-fold differential cross section is determined and related to linear combinations of hadronic tensors. Under the assumption of one nucleon exchange, the hadronic tensors are expressed in terms of the 2 complex proton electromagnetic form factors. An extraction method which provides an access to the proton electromagnetic form factor ratio R=|G_E|/|G_M| and for the first time in an unpolarized experiment to the cosine of the phase difference is developed. Such measurements have never been performed in the unphysical region. Extended simulations were performed to show how the ratio R and the cosine can be extracted from the positron angular distribution. Furthermore, a model is developed for the pbar p-->pi0pi+pi- background reaction considered as the most dangerous one. The background contribution can be reduced to the percent level or even less. The corresponding signal efficiency ranges from a few % to 30%. The precision on the determination of the ratio R and of the cosine is determined using the expected counting rates via Monte Carlo method. A part of this thesis is also dedicated to more technical work with the study of the prototype of the electromagnetic calorimeter and the determination of its resolution.
1 :  IPNO - Institut de Physique Nucléaire d'Orsay
Hadronic physic – Structure – Nucleon – Proton – Electromagnetic form factor – PANDA – GSI – FAIR

Etude de faisabilité du canal électromagnétique pbar p-->pi0e+e- à PANDA
Le proton est décrit par les facteurs de forme électrique et magnétique qui caractérisent sa structure interne. Le moyen de mesurer les facteurs de forme consiste à mesurer la distribution angulaire de la diffusion élastique e-p: dans cette région dite espace q^2 est négatif. En utilisant la réaction croisée pbar p<--> e+ e-, on atteint une autre région cinématique appelée région temps où q^2>0. Cependant, à cause du seuil q^2_{th} de les réactions pbar p <--> e+e-, seul le domaine cinématique q^2>q^2_{th}>0 est autorisé. Pour atteindre la région non physique, on utilise la réaction pbar p --> pi0e+e- où le pi0 emporte une partie de l'énergie autorisant ainsi q^2 à varier entre q^2_{th} et presque 0. Cette thèse vise à démontrer la faisabilité de ces mesures avec le détecteur PANDA qui sera installé sur l'anneau d'antiprotons du futur complexe FAIR à Darmstadt. Pour décrire la réaction pbar p --> pi0e+e- une approche basée sur des lagrangiens est développée. La section efficace 5 fois différentielle est determinée et reliée à des combinaisons linéaires de tenseurs hadroniques. Sous l'hypothèse de l'échange d'un nucléon, les tenseurs hadroniques sont exprimés en fonctions des 2 facteurs de forme électromagnétiques complexes du proton. Une méthode est développée, qui donne accès au rapport des facteurs de forme électromagnétiques du proton R=|G_E|/|G_M| et pour la première fois avec une expérience non polarisée au cosinus de la différence de phase. A ce jour, de telles mesures n'ont jamais été faites dans la région non physique. Des simulations détaillées ont été effectuées pour montrer comment le rapport R et le cosinus peuvent être extraits de la distribution angulaire du positron. De plus, un modèle est développé pour la réaction parasite pbar p-->pi0pi+pi- considérée comme la plus dangereuse. La contribution du bruit de fond peut être réduite à quelques pour-cent voire moins. L'efficacité typique de détection du signal correspondante varie de l'ordre de 5 pour-cent à 30 pour-cent. La précision sur la détermination du rapport R et du cosinus est determinée pour le nombre de coups attendu via la méthode Monte Carlo. Une partie de cette thèse est aussi dédiée à un travail plus technique avec l'étude du prototype du calorimètre électromagnétique et la détermination de sa résolution.
Physique hadronique – Structure – Nucléon – Proton – Facteurs de forme électromagnétiques – PANDA – GSI – FAIR