Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN a récemment mené à bien le programme de collisions de protons sur des noyaux de plomb. C’est à dessein que cette catégorie de collisions a été choisie, car elle permet d’étudier comment l’environnement nucléaire perturbe la structure interne d’un nucléon individuel donné dans le noyau de plomb. Ces effets nucléaires dits « froids » ont déjà été étudiés dans le passé. La grande nouveauté vient du bond en énergie du LHC qui était très attendu. Il permet en effet de tester notre compréhension à très haute énergie de ces effets. Une particule-sonde, le J/psi, a été privilégiée par les expériences ALICE et LHCb installées auprès du LHC. La production du J/psi y a été mesurée et est confrontée avec succès à l’extrapolation à haute énergie de notre modèle théorique. Le SPhN a activement contribué à la fois à la mesure du taux de production du J/psi en collisions proton-plomb et à l’élaboration de ce modèle.
Petit ABCD de l’interaction forte
Le noyau atomique est formé de deux types de nucléons, les protons et les neutrons. Ceux-ci sont eux-mêmes composites. Ils apparaissent comme des quarks « collés » entre eux par des gluons, vecteurs de l’interaction « forte » qui permet à cet assemblage d’exister et d’être pérenne. La portée de l’interaction va au-delà des agglomérats de quarks et de gluons, de sorte qu’elle unit aussi les nucléons pour former le noyau. Sa formulation mathématique, la Chromo-Dynamique Quantique (QCD), date des années 60, mais reste difficile à manier. En effet, les caractéristiques intrinsèques à l’interaction se traduisent en des mathématiques difficilement calculables de manière exacte hormis dans certains cas particuliers. Les modèles effectifs prennent alors le relais des calculs ab initio. La confrontation de ces modèles à l’expérience apparait bien sûr d’autant plus cruciale.
Pourquoi étudier les effets nucléaires froids, en particulier au LHC ?
Il s’agit d’explorer les différentes facettes de l’interaction forte afin de s’assurer de l’avoir correctement décryptée. L’étude des effets froids vient ainsi naturellement s’inscrire sur cette pierre de Rosette consacrée à la QCD. Afin d’être sûrs de ne sélectionner que ce seul et unique type d’effets, nous devons recourir à une catégorie particulière de collisions. En raison du recours spécifique à des protons (et non à des noyaux) pour des collisions sur des noyaux, la densité totale d’énergie ainsi réunie par unité de volume et la température atteinte devraient rester assez faibles pour que l’état de la matière demeure inchangé. L’idée est en effet d’étudier la QCD au travers de l’environnement nucléaire.
Pendant près d’un mois au début de l’année 2013, le LHC a réalisé des collisions de protons sur des noyaux de plomb à une énergie record de 5,02 TeV[1] par paire de nucléons, soit vingt-cinq fois plus que ce qui a été accompli jusqu’ici au collisionneur RHIC (Brookhaven, USA). L’énergie inédite fournie par le LHC implique que ces nouveaux résultats sont très attendus, notamment pour tester l’extrapolation à haute énergie des modèles actuels sur les effets froids. La compréhension des effets froids est aussi utilisée d’une manière plus indirecte, afin de rechercher la présence additionnelle d’effets « chauds » lors des mini Big Bang de laboratoire (provoqués au LHC lors des collisions de noyaux de plomb sur d’autres noyaux de plomb). Le plasma de quarks et de gluons est l’état de la matière que l’on cherche ainsi à atteindre à des températures et densités d’énergie extrêmes, proches de celles régnant dans l’Univers quelques millionièmes de secondes après le Big Bang. Cet état est fort éphémère car il se refroidit très vite. Il faut donc se doter d’outils permettant de distinguer les effets chauds dus à ce plasma des effets froids purement nucléaires.
De quels type d’effets s’agit-il ?
Nous allons nous focaliser sur une composante essentielle des effets froids: comment l’environnement nucléaire perturbe la structure interne d’un nucléon individuel donné dans le noyau (de plomb ici). Cette structure est dynamique. À l’énergie du LHC, les gluons y constituent une écrasante majorité. Chaque gluon porte alors une minuscule valeur de x, la fraction[2] de l’impulsion totale du nucléon. La distribution probabiliste (ou PDF[3]) du nombre de gluons en fonction de x dans un nucléon fait partie de ces fruits de la QCD que nous ne pouvons pas calculer ab initio. Cela doit être mesuré. Les observations montrent que l’environnement nucléaire introduit des « distorsions » dans les PDFs du nucléon lié. Ainsi, la Fig. 1 présente, pour les gluons, une évaluation du ratio R entre la PDF nucléaire et la PDF dans un nucléon libre. Ce ratio n’étant pas unitaire, c’est donc que ces deux types de PDF diffèrent. Les mises en évidence expérimentales de ces distorsions de la PDF nucléaire des gluons à l’énergie du LHC ainsi que leur modélisation nous ont particulièrement intéressés au SPhN, via nos participations à l’expérience ALICE et à l’élaboration du modèle Monte-Carlo de simulation numérique dénommé JIN[4].
Le J/psi comme particule-sonde des effets froids
Il nous faut souligner ici une particularité qui frappe les gluons. Contrairement aux quarks, l’accès direct aux gluons n’est possible qu’avec des sondes purement QCD, intrinsèquement plus compliquées du point de vue théorique. Il y a deux conséquences à ce constat. Primo, la connaissance de la PDF des gluons est entachée d’incertitudes, expérimentales et théoriques, notamment aux très petits x (cf Fig. 1) qui deviennent accessibles avec le LHC. Secundo, seules quelques sondes QCD bien choisies autorisent l’accès à la PDF des gluons. Il s’agit des particules produites à partir de gluons initiaux et via un processus relevant du domaine « perturbatif » de la QCD. Des hypothèses simplificatrices y sont légitimes, et les calculs deviennent réalisables, certes approchés mais en accord honorable avec les observations.
Parmi ces sondes figure la production d’une particule, le J/psi, constitué d’une paire de quark et anti-quark de masse élevée (un charme et un anti-charme). Nous avons intégré les derniers développements théoriques sur son mécanisme de production dans notre modèle de simulation numérique JIN. Notons que le mécanisme de production du J/psi n’est toujours pas une affaire définitivement résolue en QCD. La possibilité d’y « brancher » de manière modulaire les différents modèles existants − mais aussi futurs − de production du J/psi en collisions proton-proton est ainsi ce qui fait l’originalité de JIN[5]. L’idée était de calculer le taux de production du J/psi en proton-noyau à partir de ce que nous avions appris en proton-proton et de ce que nous savions des effets froids, c’est-à-dire le facteur R permettant de qualifier la distorsion des PDFs nucléaires (présenté sur la Fig. 1).
Fig. 1: Ratio entre la distribution des gluons dans un nucléon du noyau de plomb et dans un nucléon libre.
La bande grise représente une évaluation de l’incertitude selon la paramétrisation EPS09 LO, pour lesquelles les lignes de couleur indiquent différentes hypothèses ex-trêmes admissibles en regard des mesures disponibles. La ligne pointillée noire représente la meilleure évaluation de ces effets à partir de ces mêmes mesures. Une autre paramétrisation disponible est nDSg.
Fig. 2: RpPb du J/psi en fonction de sa rapidité, mesuré par ALICE et LHCb et comparée aux calculs effectués avec JIN.
Les effets froids sur la production de J/psi au LHC
La Fig. 2 dévoile les récentes mesures de la production du J/psi dans les collisions proton-plomb au LHC comparées aux calculs effectués avec JIN. Les mesures ont été réalisées par les expériences ALICE et LHCb. Le groupe ALICE du SPhN est fortement impliqué dans l’obtention de ces résultats expérimentaux, tant du point de vue technique (au niveau du trajectographe à muons qui suit les produits de désintégration du J/psi) que du point de vue de l’analyse des données. La quantité présentée ici − le RpPb du J/psi en fonction de sa rapidité[6] − est définie comme le taux de production du J/psi en proton-plomb normalisé par le taux attendu. Ce taux de référence est obtenu en considérant l’hypothèse qu’une collision proton-plomb serait une simple superposition d’un nombre équivalent de collisions proton-proton à la même énergie. Ainsi, en l’absence d’effets froids, cette hypothèse serait valide et RpPb = 1.
Bien que l’énergie du LHC soit inédite, les prédictions du modèle numérique JIN sont en accord remarquable avec les mesures expérimentales.
Dans la région à rapidité positive, les nouvelles données confirment la suppression du J/psi (avec RpPb <1) comme conséquence de la présence d’effets froids, et ce avec une précision meilleure que celle des prédictions où la source d’incertitude dominante est la méconnaissance de la PDF nucléaire des gluons. Dans la région de rapidité négative, les effets froids devraient au contraire induire une hausse de la production du J/psi, avec une amplitude qui va de modérée (selon la courbe nDSg LO proche de l’unité), jusqu’à une amplitude possible de +25% (selon la paramétrisation extrémale en traits mauve discontinus de EPS09 LO). La précision des nouvelles données ne permet pas encore de tirer de conclusion franche quant à l’existence de cette hausse. Diminuer la taille des barres d’erreurs requiert à la fois une nouvelle campagne de collisions proton-plomb avec nettement plus de statistique, et des collisions proton-proton de référence à exactement la même énergie, ce qui nous a fait défaut ici. Une autre piste consiste à varier les sondes QCD afin de mieux cibler cette zone. Ainsi, l’étude de la production de particules bien plus massives que le J/psi, comme l’Upsilon composé d’un quark et d’un anti-quark beaux, serait à privilégier.
Enfin, cette comparaison entre expérience et modèle montre qu’il faut compléter notre connaissance de la PDF nucléaire des gluons. Le LHC en mode proton-noyau peut y contribuer. Ce serait également le cas des expériences en cible fixe actuelles ou à venir. Certes à plus basse énergie que le LHC, ce type d’expérience bénéficie en contre-partie d’une plus grande flexibilité pour changer le type de noyau et d’une meilleure statistique (plusieurs ordres de grandeur) concernant les sondes QCD comme le J/psi.
[1] Le TeV ou tera (1012) électron-volt est un multiple de l’électron-volt, une unité d’énergie adaptée aux très petites quantités d’énergie couramment rencontrées dans les problématiques reliées à la physique nucléaire ou à la physique des particules. Il s’agit de la quantité d’énergie discrète acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 volt. L’électron-volt est relié par des facteurs de conversion aux autres unités d’énergie plus usuelles comme le Joule, la calorie ou le kilowattheure.
[2] Plus concrètement, les gluons dominent pour des valeurs de x < 10% et il est possible de sonder des gluons jusqu’à x ≈ 0.0001% au LHC.
[3] PDF est l’acronyme du terme anglais parton density function. Les partons désignent l’ensemble des quarks et des gluons formant un nucléon.
[4] JIN est l’acronyme du terme anglais J/psi In Nucleus.
[5] Du point de vue plus technique, l’originalité de JIN réside aussi dans le fait d’être entièrement codé en langage orienté objet (C++), puisque développé en tant que bibliothèque de ROOT, le logiciel développé par le CERN et utilisé, entre autres, pour l’analyse des données des expériences du LHC. À terme, une version publique de JIN sera mise à disposition pour être librement utilisée par les expérimentateurs à des fins de simulation, de manière analogue aux autres outils Monte-Carlo couramment utilisés aujourd’hui comme PYTHIA, EPOS, HIJING, etc.
[6] La rapidité est une fonction de la composante longitudinale de l’impulsion d’une particule. Sa valeur absolue est maximale lorsque la particule est émise proche de la direction de l’axe du faisceau, et vaut zéro lorsqu’elle est émise transversalement à cet axe.
Références:
- [JIN] Physical Review C 88 (2013) 047901 (arXiv:1305.4569)
- [LHCb] Journal of High Energy Physics 1402 (2014) 072 (arXiv:1308.6729)
- [ALICE] Journal of High Energy Physics 1402 (2014) 073 (arXiv:1308.6726)
Contact : Andry Rakotozafindrabe
• Structure of nuclear matter › Quark-gluon plasma Structure de la matière nucléaire
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN) • The Nuclear Physics Division
