Les upsilons fondent sous la chaleur du LHC !

04 novembre 2015

Lors des Little Bangs produits par les collisions d’ions lourds ultra-relativistes au LHC du CERN, un milieu très dense et très chaud est créé. Ce milieu, analogue à celui par lequel l’Univers tout entier serait passé quelques microsecondes après le Big Bang, est réduit à une « soupe » où ne ﬁgurent que les constituants les plus élémentaires de la matière, un plasma de quarks et de gluons (QGP). On cherche à mesurer comment ce plasma agit sur la formation des quarkonia: états liés de quarks charmés J/psi (c-cbar) ou beaux l’Upsilon (b-bbar). L'équipe de l'Irfu de l'expérience ALICE a présenté les résultats de la campagne (2010-2013) de mesures des quarkonia à la conférence internationale Quark Matter 2015 en octobre au Japon. Ces résultats confirment la suppression, prédite, des quarkonia au LHC mais mettent en evidence d’autres mécanismes de production qui font l’objet d’intenses études expérimentales et théoriques. L'enquête se poursuit avec la phase 2 du LHC.

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.

Les upsilons fondent sous la chaleur du LHC !

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 R_AA¹. La figure ci contre montre ce rapport en fonction de la variable de rapidité^2.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 R_AA a été calculé.

Ainsi, un R_AA = 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 R_AA 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.

²La 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 R_AA en fonction de y ni la faible valeur du R_AA 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.

³Très récemment la collaboration CMS a revu à la baisse sa mesure publié du R_AA 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 R_AA des Upsilon(1S) (figure ci dessus) mais aussi dans le faible R_AA des J/psi à haute impulsion transverse p_T (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 R_AA à bas p_T 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