Thèse Tomographie des Quarks et Gluons dans les Noyaux à Haute Énergie H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Nantes Université École doctorale : École doctorale Matière, Molécules, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : LABORATOIRE DE PHYSIQUE SUBATOMIQUE ET DES TECHNOLOGIES ASSOCIEES Direction de la thèse : Francois ARLEO Date limite de candidature : 2026-05-31T00:00:00 Ce projet de thèse vise à explorer la structure tridimensionnelle des hadrons et l'émergence de la saturation des gluons en Chromodynamique Quantique (QCD). Il se concentre sur les distributions de partons dépendantes de l'impulsion transverse (TMD) à petite fraction d'impulsion longitudinale (x), un régime encore mal compris théoriquement. Le projet combine des calculs de corrections radiatives (NLO) dans le cadre du Condensat de Verre de Couleur (CGC) avec des études phénoménologiques de processus clés au Large Hadron Collider, tels que la production vers l'avant de particules dans les collisions proton-noyau. Un cadre numérique dédié sera développé afin de confronter les prédictions théoriques aux données expérimentales. L'objectif est d'apporter un nouvel éclairage sur la dynamique des partons à haute énergie et d'identifier des signatures claires de la saturation des gluons. Le ou la doctorant(e) bénéficiera du financement du projet ANR TMD-SAT, en cours jusqu'en octobre 2029, incluant un soutien financier pour la participation à des écoles spécialisées, à des ateliers et conférences internationales. Il ou elle profitera également de l'environnement riche et stimulant du laboratoire SUBATECH à Nantes, et en particulier de son groupe Théorie, reconnu au niveau international pour son expertise, notamment en chromodynamique quantique. Ce projet de thèse s'attaque à certaines des questions ouvertes les plus fondamentales de la physique de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la Nature. L'interaction forte régit des phénomènes couvrant une vaste gamme d'échelles de distance ou d'énergie, depuis la cohésion des noyaux atomiques à basse énergie jusqu'à la structure interne complexe des protons et des noyaux, étudiée dans les collisions à haute énergie dans de grandes infrastructures telles que le Large Hadron Collider (LHC) et le Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). À courte distance, l'interaction forte est décrite par la Chromodynamique Quantique (QCD), la théorie des quarks et des gluons - collectivement appelés partons - qui se lient pour former les hadrons. Malgré son succès, la QCD soulève encore des défis théoriques majeurs. Ce projet se concentre sur deux questions étroitement liées au coeur de la recherche actuelle : la distribution des partons à l'intérieur des hadrons et l'émergence de la saturation des gluons à haute énergie. Un objectif central du projet est de reconstruire une image tridimensionnelle de la structure des hadrons, décrivant à la fois la distribution en impulsion longitudinale et le mouvement transverse des quarks et des gluons. Cette information est encodée dans les fonctions de distribution des partons dépendantes de l'impulsion transverse (TMD). Bien que cette tomographie soit essentielle pour comprendre l'origine de la masse et du spin des hadrons, leur comportement dans le régime des faibles fractions d'impulsion longitudinale (petit x) reste largement méconnu. Les approches de type QCD sur réseau ne permettent pas encore d'explorer ce domaine, si bien que les calculs perturbatifs de haute précision, combinés aux données expérimentales, constituent aujourd'hui la voie la plus prometteuse. Cependant, au-delà de l'ordre dominant, ces études restent encore peu développées à petit x. Parallèlement, le projet aborde la question de la saturation des gluons, un phénomène attendu d'un point de vue théorique à très haute énergie. Dans ce régime, les hadrons sont dominés par une forte densité de gluons de petit x, et des effets non linéaires de recombinaison viennent freiner leur croissance, garantissant la cohérence de la QCD avec les contraintes fondamentales d'unitarité de toute théorie quantique. Cet état fortement occupé de gluons est décrit par le Condensat de Verre de Couleur (CGC), une théorie effective de la QCD en présence de champs gluoniques intenses. Bien que ce cadre soit théoriquement solide, la saturation des gluons n'a pas encore été mise en évidence de manière non ambiguë, et ses propriétés quantitatives restent mal contraintes par les données expérimentales. L'objectif de cette thèse est de réaliser des calculs à l'ordre d'une boucle (NLO) dans le cadre du CGC pour un ensemble de processus clés dont les sections efficaces peuvent être factorisées en termes de distributions TMD de gluons et de quarks de la mer. Ces observables sont directement pertinentes pour les expériences actuelles et futures au LHC, notamment la production vers l'avant de particules dans les collisions proton-noyau (pA), un axe majeur du programme scientifique de LHCb ainsi que du futur upgrade d'ALICE avec le détecteur FoCal. Parmi les processus étudiés figurent les corrélations photon-jet vers l'avant, ainsi que la production inclusive ou diffractive de dijets ou de mésons lourds dans les collisions ultra-périphériques. Le projet comprendra également le développement d'un code numérique dédié pour implémenter ces calculs et mener des études phénoménologiques approfondies. L'objectif final est d'identifier des signatures claires et robustes de la saturation des gluons, à travers l'extraction des distributions TMD de gluons et de quarks à partir des observables expérimentales.