Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

Cette étude présente la mesure du rapport de sections efficaces entre les états charmonium $\psi(2S)$ et $J/\psi$ en fonction de la multiplicité dans les collisions $p$Pb à 8,16 TeV, révélant une dépendance à la multiplicité pour la production prompte dans la direction du plomb qui suggère l'existence de mécanismes de suppression supplémentaires liés potentiellement à la formation d'un plasma de quarks et de gluons.

L'essentiel

🎢 Le Grand Tourniquet de la Physique : Quand les Protons et le Plomb s'entrechoquent

Imaginez que vous êtes dans un immense manège appelé le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC). Au lieu de chevaux, ce manège lance des particules à une vitesse proche de celle de la lumière. L'expérience LHCb (qui signifie "LHC en avant") observe ce qui se passe quand ces particules se percutent.

Dans cet article, les scientifiques ont joué avec deux types de "balles" :

1. Un proton (une petite bille, comme un grain de sable).
2. Un noyau de plomb (un gros tas de grains de sable collés ensemble).

Ils ont fait deux types de collisions :

• pPb : Le grain de sable (proton) arrive en premier, suivi du gros tas (plomb).
• Pbp : Le gros tas (plomb) arrive en premier, suivi du grain de sable (proton).

Le but ? Comprendre comment la matière se comporte quand on la comprime très fort, un peu comme essayer de faire fondre du sucre en le pressant.

🐣 Les "Poussins" et les "Poules" de la Physique

Pour mesurer ce qui se passe, les physiciens regardent deux familles de particules très spéciales, appelées charmoniums. On peut les imaginer comme des familles d'oiseaux :

• Le J/ψ (J/psi) : C'est la "poule" adulte. Elle est solide, bien formée et résistante.
• Le ψ(2S) (Psi-2S) : C'est le "poussin". C'est la même espèce, mais il est plus grand, plus fragile et plus "lâche" dans ses liens.

L'idée géniale : Si vous jetez une poule et un poussin dans une tempête, lequel survivra le mieux ? Généralement, le poussin fragile est plus susceptible de se briser ou de disparaître si la tempête est trop forte.

🌪️ La Tempête et le "Brouillard"

Quand le proton et le plomb se cognent, ils créent une explosion de matière. Plus il y a de particules créées (ce qu'on appelle la multiplicité), plus la "tempête" est violente.

Les scientifiques ont posé une question simple :

"Si on augmente la violence de la collision (plus de particules), le poussin fragile (ψ(2S)) disparaît-il plus vite que la poule solide (J/ψ) ?"

Ils ont mesuré le ratio entre les deux dans différentes conditions.

🔍 Les Résultats Surprenants : Un Effet de Miroir

Voici ce qu'ils ont découvert, et c'est là que l'histoire devient fascinante :

1. Quand le proton arrive en premier (pPb) :
   Imaginez que le proton (le grain de sable) traverse le nuage de plomb. Plus il y a de "brouillard" (multiplicité) devant lui, plus le poussin fragile (ψ(2S)) disparaît par rapport à la poule.

   • Pourquoi ? C'est comme si le poussin était trop fragile pour traverser une foule dense. Il y a des effets de "frottement" avec les autres particules qui le détruisent.

2. Quand le plomb arrive en premier (Pbp) :
   C'est ici que la magie opère. Le plomb (le gros tas) arrive en premier, créant une zone très dense et chaude.

   • Résultat : Le ratio entre le poussin et la poule reste constant, peu importe la violence de la tempête ! Le poussin ne disparaît pas plus que la poule.

🧪 Le Secret : Le "Gâteau de Quarks" (Plasma Quark-Gluon)

Pourquoi cette différence ?

• Dans le cas pPb, le poussin traverse un milieu où il est simplement "bousculé" par d'autres particules (comme un piéton dans une foule). C'est ce qu'on appelle l'effet des "comovers" (particules qui voyagent ensemble).
• Dans le cas Pbp, le plomb arrive en premier et crée une zone si dense et si chaude qu'elle pourrait former un Plasma Quark-Gluon (QGP).
  • L'analogie : Imaginez que le plomb crée un petit "lac de lave" (le QGP) avant que le proton n'arrive. Dans ce lac de lave, les règles changent. Les particules ne sont plus des grains de sable individuels, mais une soupe fluide.
  • Curieusement, dans ce "lac", le poussin fragile et la poule solide semblent subir le même sort. Cela suggère que le mécanisme de destruction est différent, peut-être lié à la formation de cette "soupe" primordiale qui existait juste après le Big Bang.

💡 Pourquoi est-ce important ?

C'est comme si on découvrait qu'un petit système (proton + plomb) peut se comporter comme un très gros système (comme dans les collisions d'or ou de plomb pur), mais seulement dans une direction.

• Cela nous dit que même dans des collisions "petites", on peut créer des conditions extrêmes similaires à celles des étoiles à neutrons ou du début de l'univers.
• Cela montre que la physique change selon la direction de l'attaque : le plomb qui arrive en premier crée un environnement spécial, presque comme un "mini Big Bang".

En Résumé

Les physiciens du LHCb ont joué aux billes avec du plomb et des protons. Ils ont vu que selon qui arrive en premier, la "fragilité" des particules change de comportement.

• Si le plomb arrive en premier, il crée un environnement si chaud et dense que même les particules les plus fragiles survivent (ou disparaissent) d'une manière différente, suggérant la naissance d'un plasma de quarks et de gluons dans un petit système.

C'est une preuve fascinante que la frontière entre les "petites" collisions et les "grosses" collisions (où l'on s'attend à voir ce plasma) est plus floue qu'on ne le pensait !

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

La production de quarkonia lourds (états liés d'une paire quark-antiquark, comme le charmonium) constitue une sonde essentielle pour comprendre la Chromodynamique Quantique (QCD) et la matière hadronique dans des environnements extrêmes.

• Le défi : Dans les collisions noyau-noyau (A-A), la formation d'un Plasma de Quarks et de Gluons (QGP) entraîne la suppression des états de quarkonium (notamment les états excités comme le $\psi(2S)$ par rapport à l'état fondamental $J/\psi$) via des mécanismes tels que l'écranage de Debye.
• La question ouverte : Des effets similaires (suppression, formation de gouttes de QGP) ont été observés dans des systèmes de collisions plus petits, comme les collisions proton-proton (pp) et proton-noyau (pA) à haute multiplicité. Cependant, il est difficile de distinguer les effets de la matière nucléaire froide (effets initiaux, saturation de gluons, perte d'énergie) des effets de la matière chaude (interactions avec les particules comouvantes, formation potentielle de QGP).
• Objectif de l'étude : Mesurer le rapport de production $\psi(2S)/J/\psi$ en fonction de la multiplicité des particules chargées dans les collisions pPb et Pbp (proton-plomb et plomb-proton) pour identifier d'éventuels mécanismes de suppression supplémentaires au-delà des effets de matière nucléaire froide, et étudier l'asymétrie avant-arrière.

2. Méthodologie

Données et Configuration :

• Expérience : LHCb au CERN.
• Énergie : $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV.
• Échantillon de données : Collecté en 2016.
  • Configuration pPb (proton vers l'avant) : $13,6 \text{ nb}^{-1}$.
  • Configuration Pbp (plomb vers l'avant) : $20,8 \text{ nb}^{-1}$.
• Détection : Reconstruction des états finals en dimuons ($\mu^+\mu^-$) dans la région de rapidité avant ($1,5 < y^* < 4,0$ pour pPb) et arrière ($-5,0 < y^* < -2,5$ pour Pbp).

Sélection et Reconstruction :

• Séparation Prompt/Non-Prompt : Utilisation du temps de pseudo-désintégration ($t_z$) pour distinguer les quarkonia produits directement dans la collision dure (prompt) de ceux issus de la désintégration de hadrons $b$ (non-prompt).
• Variables de Multiplicité : Trois variables sont utilisées pour quantifier la densité de matière produite :
  • $N^{PV}_{tracks}$ : Nombre total de traces associées au vertex primaire.
  • $N^{PV}_{fwd}$ : Nombre de traces dans la direction avant (vers le détecteur).
  • $N^{PV}_{bwd}$ : Nombre de traces dans la direction arrière (opposée au détecteur).
• Analyse : Extraction des rendements via un ajustement de vraisemblance maximale non binné en 2D (masse invariante $m_{\mu\mu}$ et temps $t_z$) dans chaque bin de multiplicité.

Mesure du Rapport :
Le rapport de sections efficaces normalisé est calculé pour éliminer les incertitudes systématiques liées à la luminosité et aux branchements :
$$\text{Rapport normalisé} = \frac{Y_{\psi(2S)}^i / \sum Y_{\psi(2S)}^j}{Y_{J/\psi}^i / \sum Y_{J/\psi}^j}$$
où $i$ désigne le bin de multiplicité.

3. Résultats Clés

Dépendance à la multiplicité :

• Production Non-Prompt : Aucun rapport de dépendance significatif à la multiplicité n'est observé ni en pPb ni en Pbp. Cela est attendu car les effets de matière nucléaire affectent les deux états de manière similaire dans les désintégrations de $b$.
• Production Prompt en pPb (Proton vers l'avant) :
  • Une diminution significative du rapport $\psi(2S)/J/\psi$ est observée lorsque la multiplicité ($N^{PV}_{tracks}$ et $N^{PV}_{fwd}$) augmente.
  • Un ajustement linéaire montre une pente négative forte ($p_1 \approx -0,28$) avec une probabilité $p$ très faible ($5 \times 10^{-6}$), rejetant l'hypothèse d'un rapport constant.
  • Cette tendance est cohérente avec les observations en collisions pp.
• Production Prompt en Pbp (Plomb vers l'avant) :
  • Aucune dépendance significative à la multiplicité n'est observée. Le rapport reste constant quelle que soit la multiplicité, contrairement au cas pPb.
  • L'ajustement linéaire donne une pente compatible avec zéro.

Asymétrie Avant-Arrière :

• Il existe une forte asymétrie entre les configurations pPb et Pbp.
• La direction "proton" (pPb) montre une suppression croissante avec la multiplicité, similaire aux collisions pp.
• La direction "plomb" (Pbp) ne montre pas cette suppression, présentant un comportement plus proche des collisions PbPb (systèmes lourds) où la suppression est déjà établie mais où les mécanismes diffèrent.

Analyse des variables de multiplicité :

• La dépendance est la plus forte lorsque la multiplicité est mesurée dans la même région de rapidité que le quarkonium ($N^{PV}_{fwd}$).
• La dépendance s'atténue lorsque la multiplicité est mesurée dans la région opposée ($N^{PV}_{bwd}$), suggérant que les effets des particules comouvantes (comovers) jouent un rôle, mais ne suffisent pas à expliquer entièrement les résultats, surtout dans la configuration Pbp.

4. Contributions et Significativité

Interprétation Physique :

• Direction pPb (Proton vers le détecteur) : La suppression observée est probablement dominée par les effets des particules comouvantes (interactions finales avec les hadrons produits dans la même collision), un mécanisme bien établi.
• Direction Pbp (Plomb vers le détecteur) : L'absence de suppression supplémentaire avec la multiplicité, malgré une densité baryonique plus élevée, suggère que des mécanismes différents sont à l'œuvre. Les auteurs proposent que cela pourrait indiquer la formation de gouttes de QGP (plasma de quarks et de gluons) même dans ce système de collision "petit".
• Transition de systèmes : Ces résultats mettent en évidence une transition entre les systèmes de collisions "petits" (pp, pPb) et "grands" (PbPb). La configuration Pbp, avec sa haute densité baryonique, semble atteindre un régime physique où les effets de matière chaude (QGP) deviennent dominants ou modifient la dynamique de suppression par rapport aux effets de matière froide/comouvants.

Impact Scientifique :

1. Preuve de mécanismes au-delà de la matière froide : Les résultats suggèrent que des mécanismes de suppression supplémentaires, au-delà des effets de comouvants, sont présents dans la direction du plomb, potentiellement liés à la formation d'un milieu déconfiné.
2. Étude de l'asymétrie : La forte asymétrie avant-arrière dans les collisions pA fournit une contrainte cruciale pour les modèles théoriques décrivant la formation du QGP dans les systèmes de petite taille.
3. Référence pour les futurs travaux : Cette étude établit une base solide pour comprendre la dynamique de production des quarkonia à travers différents systèmes de collision, aidant à démêler les effets initiaux (matière nucléaire froide) des effets finaux (milieu chaud).

En conclusion, cette mesure du LHCb démontre que la suppression du $\psi(2S)$ par rapport au $J/\psi$ dans les collisions pPb n'est pas universelle mais dépend fortement de la géométrie de la collision et de la densité baryonique, ouvrant la voie à l'observation de phénomènes de type QGP dans des systèmes de collisions plus petits que les noyaux lourds.