Le plasma de quarks et de gluons (QGP) est un nouvel état très dense et chaud où les constituants les plus élémentaires de la matière (quarks et gluons) sont libérés des hadrons où ils se trouvent habituellement confinés. Ce milieu, analogue à celui par lequel l’Univers tout entier serait passé quelques microsecondes après le Big Bang, est créé lors des collisions d’ions lourds à haute énergie comme celles entre noyaux de plomb au LHC du Cern. Pour prouver l’existence de ce plasma et en étudier ses propriétés, les physiciens recherchent dans leurs données des particules rares composées d’une paire de quark charme avec son anti-quark (c-cbar), appelé le méson J/ψ . En présence du QGP, ces particules pourraient subir deux effets absents dans la matière froide (sans QGP) : une suppression de production (les paires c-cbar produites seront dissociées par le plasma) et une régénération (si les quarks c et cbar sont très nombreux, ils pourraient se recombiner et régénérer ainsi des nouveaux J/ψ dans le plasma). Ces deux effets opposés avaient déjà été observés avec les 1res données du LHC en 2012 mais avec une faible précision pour la recombinaison. Avec les données de la nouvelle campagne du LHC (2015-2018), la collaboration internationale Alice vient de publier dans la revue Physics Review Letters B les premiers résultats sur la production du J/ψ avec une bien meilleure précision et à une énergie de collision plus élevée (√(sNN) = 5.02 TeV au lieu de 2.76 TeV en 2012). L'effet de la recombinaison qui compense la suppression a été confirmé dans le mécanisme de production du J/ψ au LHC. L’équipe de l’Irfu membre d’Alice a coordonné cette analyse et y a fortement contribué.
Fig. 1. Vue schématique de l’evolution temporelle du mécanisme de régénération du J/?: les paires c-cbar initiales sont dissociées par le QGP, les quarks c et cbar thermalisent avec le QGP, de nouveaux J/? peuvent être régénérés par recombinaison de quarks c et cbar.
Les mésons J/ψ sont des états liés d’un quark charme avec son anti-quark (c-cbar). Ce sont des sondes particulièrement sensibles du plasma de Quarks et de Gluons (QGP) formé dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes. La production de J/ψ est supprimée dans le QGP par écrantage de la liaison c-cbar à cause de la densité élevée de charges de couleur. Cette suppression a été observée au Rhic au Brookhaven National Laboratory (USA) dans des collisions entre noyaux d’or Au-Au à une énergie dans le centre de masse par paire de nucleon √(sNN) = 0.2 TeV. En utilisant les données du Run-1 du LHC, Alice a aussi mesuré une suppression dans des collisions Pb-Pb à √(sNN) = 2.76 TeV. Néanmoins, cette suppression est moindre que celle observée à plus faible énergie (FM 2012). Cette observation suggérait la présence d’un nouveau mécanisme de production du J/ψ dans le QGP : la régénération par recombinaison de quarks charme et anti-charme deconfinés (illustrée schématiquement par la figure 1).
La suppression du J/ψ est quantifiée par le facteur de modification nucléaire (RAA), défini comme le rapport des taux de production dans les collisions entre deux noyaux (A-A) par rapport aux collisions p-p et normalisé par le nombre équivalent de collisions nucléon-nucléon. Le RAA du J/ψ mesuré par ALICE en fonction du nombre moyen de nucléons participant à la collision, ⟨Npart⟩, dans des collisions Pb-Pb à √(sNN) = 5.02 TeV est comparé à celui à 2.76 TeV dans la figure 2 [1]. Le nombre ⟨Npart⟩ est une mesure de la centralité de la collisions, plus ⟨Npart⟩ est grand plus la collision est centrale et violente. Au contraire, pour des collisions périphériques, donc avec ⟨Npart⟩ petit, les noyaux ne font que s’effleurer. La figure 2 montre que pour les collisions plus périphériques (⟨Npart⟩ < 100), le RAA décroît alors que ⟨Npart⟩ augmente, puis le RAA reste constant pour des collisions plus centrales. Dû à la luminosité intégrée plus élevée délivrée par le LHC et à une détection améliorée, la précision de la nouvelle mesure est drastiquement meilleure et permet de confirmer les premières observations d’Alice. A savoir, aux énergies du LHC, le mécanisme de régénération du J/ψ concurrence le mécanisme de suppression, tous les deux étant dus au QGP. La diminution du RAA pour des petits ⟨Npart⟩ met en evidence l’effet de la suppression du J/ψ par le QGP, alors que l’aplatissement est causé par la régénération qui compense partiellement la suppression.
Fig. 2. Facteur de modification nucléaire du J/? en fonction de ?Npart? dans des collisions Pb-Pb à ?(sNN) = 5.02 (cercles rouges) et 2.76 (carrés bleus) TeV.
L’amélioration de la précision de la mesure du RAA à √(sNN) = 5.02 TeV impose de fortes contraintes aux calculs des modèles théoriques. Les incertitudes de ces derniers sont maintenant significativement supérieures aux incertitudes expérimentales. D’ici à la fin du Run-2 du LHC encore plus de données seront acquises, celles-ci permettront d’imposer d’avantage de contraintes aux modèles à l’aide des mesures plus différentielles, comme celle du flot du J/ψ.
Références publications
[1] ALICE Collaboration, J/ψ suppression at forward rapidity in Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV, Phys. Lett. B766 (2017) 212-224.
Contact: Javier Castillo Castellanos
• Structure de la matière nucléaire › Plasma de quarks et de gluons
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Système temps réel, électronique d'acquisition et microélectronique (STREAM) • Laboratoire plasma de quarks et de gluons (LQGP)
