Résonance de quarks lourds: sondes privilégiées pour étudier le QGP
Le plasma de quarks et de gluons (noté QGP) est un milieu si chaud que les protons, neutrons et autres hadrons ne peuvent plus garder emprisonnés en leur sein leurs constituants élémentaires: les quarks et les gluons sont alors deconfinés. Lors des collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC du CERN, les conditions de densité d'énergie et de température sont réunies pour créer un tel QGP.
Les quarkonia sont des états liés composés par un quark lourd d’une saveur donnée (Q) et son antiquark correspondant (Qbar). Deux familles de quarkonia existent:
- les charmonia ou famille du J/psi, états liés charme (c) et anti-charme (cbar)
- et les bottomonia ou famille du Upsilon, états liés beau (b) et anti‐beau (bbar).
Ces quarks étant très lourds, ils ne sont produits, par paires, qu’au tout début de la collision où est disponible un maximum d’énergie. Ainsi, ce sont des observateurs privilégiés de toute évolution ultérieure du milieu créé! Une petite fraction de ces paires de quarks lourds se lieront rapidement pour former un J/psi (c-cbar) ou un Upsilon (b-bbar), qui constitueront alors des sondes idéales du QGP.
Suppression des quarkonia par écrantage de couleur dans le QGP. A cause des différentes énergies de liaison, les quarkonia sont supprimés de façon séquentielle à différentes températures.
thermomètre du QGP
Plusieurs mécanismes pour expliquer les effets liés au QGP
Dans les collisions plomb-plomb (Pb-Pb) au LHC, la production de quarkonia devrait se voir modifiée par rapport à celle dans les collisions proton-proton (p-p), qui sont des « objets » plus simples.
Deux types d’effets sont attendue, d’une part des effets dits chauds dus à la présence du QGP, et d’autre part des effets dits froids dus aux noyaux de plomb dans l’état initial.
Parmi les effets chauds il y a deux effets qui s'opposent:
un premier type dissoudrait les quarkonia : mécanisme de suppression
Les quarks et les gluons sont des particules chargées … de couleur! La ChromoDynamique Quantique (QCD) est la théorie qui décrit l’interaction entre charges de couleur. À l’aide de puissants ordinateurs, des calculs de QCD sur réseau prédisent que pour des températures élevées du QGP, les quarkonia seraient dissous par écrantage de leur charge de couleur par les autres quarks et gluons du plasma. Une gradation de cet effet devrait avoir lieu. Ainsi, les quarkonia les plus liés survivraient jusqu’à des températures plus élevées que les moins liés.
Parlons à présent du deuxième type d’effet chaud: mécanisme de régénération
Si le nombre initial de paires de quarks lourds est grand et si ces quarks lourds thermalisent dans le QGP, alors des nouveaux quarkonia peuvent être crées par le QGP par recombinaison de quarks lourds.
ALICE avait déjà montré la présence de ce mécanisme de régénération dans le cas des J/psi dans les collisions Pb-Pb et mis en évidence l’importance des effets froids grâce aux collisions p-Pb. Récemment ALICE a aussi mesuré la production des Upsilon dans les collisions Pb-Pb [1].
Ces résultats indiqueraient que la température du QGP est tellement élevée que même le quarkonia le plus lié (l'état fondamental du Upsilon) commencerait à fondre au LHC!
Mesure de l'effet du QGP sur l’Upsilon
La production d’Upsilon dans les collisions Pb-Pb est comparée à celle observée dans les collisions p-p en utilisant le rapport de modification nucléaire RAA1. La figure ci contre montre ce rapport en fonction de la variable de rapidité2. ALICE a mesuré la production d’Upsilon dans les collisions Pb-Pb au LHC dans le domaine à grande rapidité couvert par son spectromètre à muons. En utilisant la mesure équivalente en collisions p-p effectuée par la Collaboration LHCb dans le même domaine en rapidité, le RAA a été calculé.
Ainsi, un RAA = 0.30 ± 0.05 (stat) ± 0.04 (syst) est obtenu, ce qui signifie que plus des deux tiers des Upsilon attendus sont déclarés manquants dans les collisions Pb-Pb au LHC.
Les calculs théoriques (courbe verte de la figure) qui prennent en compte la somme de deux contributions, suppression (magenta), incluant effets chauds et froids, et régénération (bleu), ne parviennent pas à reproduire les données d’ALICE.
En plus des résultats d’ALICE, la mesure par la Collaboration CMS à y = 0 (à la verticale par rapport à l’axe des faisceaux, là ou la température du milieu est la plus élevée) est aussi reportée sur cette figure.
Nous observons une suppression à y vers l’avant plus importante que à y = 0. Ce résultat est contre-intuitif si un seul et unique mécanisme de suppression lié à la température du QGP entrait en jeu. Les résultats d’ALICE suggèrent donc la présence d’un deuxième mécanisme de suppression de l’Upsilon, probablement lié aux effets froids. ALICE a déjà confirmé, en mesurant la production d’Upsilon dans des collisions p-Pb, que de tels effets existent pour l’Upsilon [2] et pourraient donc expliquer, du moins en partie, la différence de RAA à rapidité centrale et vers l’avant.
1 Il s’agit du rapport entre le nombre d’Upsilon produits dans des collisions Pb-Pb et celui attendu dans un nombre équivalent de collisions p-p. Ainsi, si une collision Pb-Pb n’était que la simple superposition de collisions p-p indépendantes, alors le RAA vaudrait 1. Un RAA inférieur à l’unité indique ainsi une suppression de l’Upsilon.
2 La rapidité y est liée à l’angle polaire d’émission de la particule. Plus grande est la rapidité, plus la particule est émise dans une direction proche de l’axe du faisceau.
RAA de l’Upsilon(1S) en fonction de la rapidité y. Les mesures d’ALICE en rouge sont comparées à celle de CMS en bleu. La courbe verte montre des calculs
théoriques qui ne parviennent pas à reproduire les données d’ALICE. Elle est la somme de deux contributions, suppression (magenta), incluant effets chauds et froids, et régénération (bleu).
La suppression des Upsilons
Les calculs théoriques actuels, tels que ceux montrés dans la figure ci dessus ne sont pas en mesure de reproduire la forte décroissance du RAA en fonction de y ni la faible valeur du RAA mesurée par ALICE. Ceci pourrait s’expliquer par une sous estimation des effets froids (responsables de la décroissance de la courbe rouge avec y) dans ces modèles et/ou par une suppression accrue des Upsilon(1S) directs. En effet, il existe plusieurs membres dans la famille de l’Upsilon. Outre l’état le plus fortement lié Upsilon(1S), on trouve aussi d’autres états « excités » moins robustes tels que Upsilon(2S), Upsilon(3S), Chi_b, … Or ces états décroissent en Upsilon(1S), constituant donc des précurseurs de certains des Upsilon(1S) attendus dans notre détecteur. Si les états précurseurs moins liés sont supprimés, moins d’Upsilon(1S) seront alors observés. La fraction d’Upsilon(1S) issue de ces précurseurs est d’au maximum 35% pour le domaine d’impulsion considéré ici. Ceci est insuffisant en regard de la suppression d’Upsilon(1S) mesurée. Il faut donc requérir en plus une suppression des Upsilon(1S) produits dirtectement, que ce soit par effets froids ou par le QGP. Néanmoins, les mesures d’ALICE en p-Pb suggèrent que les effets froids ne suffisent pas à expliquer cette suppression.
Nous devons donc envisager que le QGP supprimerait même le quarkonium le plus lié3. Il est intéressant de noter que jusqu’à présent, les calculs théoriques modélisant le QGP laissaient intact les Upsilon(1S) directs.
3 Très récemment la collaboration CMS a revu à la baisse sa mesure publié du RAA de l’Upsilon à rapidité centrale. Ces nouvelles valeurs, encore préliminaires, sont en meilleur accord avec les données d’ALICE, bien que encore supérieures, et sembleraient confirmer une suppression des Upsilon(1S) directs. La nouvelle dépendance en rapidité serait plus facilement explicable dans le cadre des effets froids.
Bilan des mesures sur le quarkonium (période 2010-2013)
La suppression des quarkonia par le QGP est bien présente au LHC. Elle est clairement visible dans le faible RAA des Upsilon(1S) (figure ci dessus) mais aussi dans le faible RAA des J/psi à haute impulsion transverse pT (donc à énergie élevée), tel qu’indiqué par la figure 2 (voir ici). Néanmoins, ceNe suppression par le QGP n’est pas le seul mécanisme qui altère la production des quarkonia dans les collisions Pb-Pb au LHC. Un nouveau mécanisme de production de quarkonia par recombinaison de quarks lourds à été identifié pour le J/psi qui est responsable de l’augmentation du RAA à bas pT visible sur la figure ci contre. Ceci implique que les quarks c participent au mouvement collectif hydrodynamique du QGP qu’ils transfèrent au J/psi (voir fait marquant 2013). Finalement ALICE a mis en évidence l’importance des effets froids pour l’interprétation des résultats des collisions d’ions lourds. Des études théoriques sont nécessaires afin de mieux les comprendre pour pouvoir les inclure dans les calculs de produti:on de quarkonia en collisions d’ions lourds ultra-relatvistes (voir fait marquant 2014).
RAA du J/psi en fonc:on de l’impulsion transverse pT. Les mesures d’ALICE en rouge sont comparées à celles de PHENIX en noir. La suppression due au QGP est
visible à haut pT, alors que l’excès dû à la recombinaison l’est à bas pT.
Nouvelle campagne de données avec la phase 2 du LHC
Le LHC vient de démarrer sa nouvelle campagne de prise de données qui s’étendra jusqu’en 2018. Des données en collisions de noyaux de plomb à plus haute énergie sont prévues avec une statistique notablement accrue. Celles-ci devraient confirmer et mieux quantifier le rôle des différents mécanismes de production des quarkonia afin de mieux caractériser les propriétés du QGP. De plus, des nouvelles données en collision p-Pb permettront d’affiner l’extrapolation des effets froids de p-Pb vers Pb-Pb.
référence publications
[1] Suppression of ϒ(1S)ϒ(1S) at forward rapidity in Pb–Pb collisions at 
Phys. Lett. B738 (2014) 361–372
[2] Production of inclusive ϒ(1S) and ϒ (2S) in p–Pb collisions at 
Phys. Lett. B740 (2015) 105–117
Contacts: Alberto Baldisseri, Javier Castillo
pour en savoir plus, voir tous les faits marquants Irfu d'ALICE
• Structure de la matière nucléaire › Plasma de quarks et de gluons
• Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
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