Mapping the proton using J/ψ photoproduction with ALICE and development of a novel structure of gaseous particle detector
Cartographier le proton via la photoproduction du J/ψ avec ALICE et développement d'une nouvelle structure de détecteur de particules gazeux
Résumé
This doctorate is divided into two parts, each of which will last a year and a half. The first part follows on from the three-month internship already carried out at the CEA, in research and development on Micromegas detectors. Micromegas detectors are gas detectors with parallel plates made up of two stages: (1) a drift stage and (2) an amplification stage located between the printed circuit which collects the signal and a micro-grid. The electric field present in the amplification space is very high, giving rise to an avalanche phenomenon when an electron enters it. The ions resulting from this avalanche are those responsible for possible distortions of the electric field in the drift zone. GEMs (Gas Electron Multiplier) are sheets pierced with holes to which two electrical potentials can be applied, thus creating an amplification in the holes of the GEM. The work consists of studying the possibility of adding in a Micromegas detector one or more micro-grids / GEM above the amplification micro-grid so as to capture these ions before they enter the space of derivative. This will require building and characterizing several small prototype detectors, simulating their precise properties, and then testing these detectors in the laboratory. These detectors have many applications in particle physics experiments, in particular this type of detector is already used at the LHC at CERN (in Geneva) as well as at the RHIC (Brookhaven National Laboratory (NY state, USA). The goal is to build a detector which exceeds the spatial precision of those which already exist, which can subsequently be used in particle detection experiments. The second part of my doctorate is focused on the study of the structure of the proton and the interaction of the elementary particles that constitute it: the strong interaction. These elementary particles are quarks and gluons. Gluons are particles capable of creating other gluons on their own, thus leading to a "saturation" of the structure of the proton. This phenomenon is studied at the LHC in so-called "ultra-peripheral" collisions of proton and lead (the proton and lead nuclei intersect, and interact without touching each other), ultra-relativistic (the nuclei are accelerated at the speed of the light). The lead nucleus acts as a source of photons (light particles) which will interact with the proton: from this interaction is produced a third particle (J/ψ), signatory of the structure of the proton. Indeed, the photon can interact more or less deeply in the proton with its constituents (quarks or gluons), depending on its energy. By characterizing the production of J/ψ, we measure the state of the proton at different depths (or energy scales). This analysis will make it possible to constrain the theoretical models that already exist to understand the strong interaction, which governs the behavior of matter and the cohesion of atoms.
Ce doctorat est divisé en deux parties, dont chacune durera un an et demi. La première partie fait suite au stage de trois mois déjà effectué au CEA, en recherche et développement sur des détecteurs Micromegas. Les détecteurs Micromegas sont des détecteurs gazeux à plaques parallèles constituées de deux étages : (1) un étage de dérive et (2) un étage d'amplification situé entre le circuit imprimé qui collecte le signal et une micro-grille. Le champ électrique présent dans l'espace d'amplification est très élevé, donnant lieu à un phénomène d'avalanche lorsqu'y pénètre un électron. Les ions résultant de cette avalanche sont ceux responsables de possibles distorsions du champ électrique dans la zone de dérive. Les GEMs (Gas Electron Multiplier) sont des feuilles percées de trous auxquels on peut appliquer deux potentiel electriques, créant ainsi une amplification dans les trous de la GEM. Le travail consiste à étudier la possibilité d'ajouter dans un détecteur Micromegas une ou plusieurs micro-grilles / GEM au dessus de la micro-grille d'amplification de façon à capturer ces ions avant qu'ils n'entrent dans l'espace de dérive. Cela nécessitera de construire et caractériser plusieurs détecteurs prototypes de taille réduite, d'en simuler les propriétés précises, puis de tester ces détecteurs en laboratoire. Ces détecteurs présentent de nombreuses applications dans les expériences de physique des particules, en particulier ce type de détecteur est déjà utilisé au LHC au CERN (à Genève) ainsi qu'au RHIC (Brookhaven National Laboratory (NY state, USA). Le but est de construire un détecteur qui dépasse la précision spatiale de ceux qui existent déjà, qui pourra dans un second temps être utilisé dans des expériences de détection des particules. La seconde partie de mon doctorat est portée sur l'étude de la structure du proton et l'interaction des particules élémentaires qui le constituent : l'interaction forte. Ces particules élémentaires sont des quarks et des gluons. Les gluons sont des particules capables de créer d'autres gluons d'elles-mêmes, menant ainsi à une "saturation" de la structure du proton. Ce phénomène est étudié au LHC dans des collisions dites "ultra-périphériques" de proton et de plomb (les noyaux de proton et de plomb se croisent, et interagissent sans se toucher), ultrarelativistes (les noyaux sont accélérés à la vitesse de la lumière). Le noyau de Plomb agit comme une source de photons (particules de lumières) qui vont interagir avec le proton : de cette interaction est produite une troisième particule (J/ψ), signataire de la structure du proton. En effet, le photon peut interagir plus ou moins profondément dans le proton avec ses constituants (quarks ou gluons), en fonction de son énergie. En caractérisant la production du J/ψ, on mesure l'état du proton à différentes profondeurs (ou échelles d'énergie). Cette analyse permettra de contraindre les modèles théoriques qui existent déjà pour comprendre l'interaction forte, qui gouverne le comportement de la matière et la cohésion des atomes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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