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Multiplicity dependence of K $^*(892)^{\pm}$ production in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Cet article présente les premières mesures de la production de K $^*(892)^{\pm}$ dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV en fonction de la multiplicité des événements, révélant une suppression significative de 7 $\sigma$ du rapport de rendement K $^*(892)^{\pm}$ /K $_{\rm S}^0$ dans les événements à haute multiplicité qui est bien décrite par le modèle EPOS-LHC sans après-brûleurs hadroniques.

Auteurs originaux : ALICE Collaboration

Publié 2026-09-25

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ALICE Collaboration

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Au cœur du Grand Collisionneur de Hadrons, là où les protons s'entrechoquent à des vitesses proches de celle de la lumière, les physiciens tentent de comprendre comment l'univers se construit à partir de ses fondements. Lorsque ces minuscules particules entrent en collision, elles créent une soupe éphémère et superchaude de blocs élémentaires appelés quarks et gluons. À mesure que cette soupe refroidit, elle se fige en particules stables qui composent le monde qui nous entoure, telles que les protons et les neutrons. Cependant, la transition de cette soupe chaude vers la matière solide n'est pas instantanée. Il existe une étape intermédiaire brève et chaotique où les particules rebondissent les unes sur les autres, échangeant de l'énergie et changeant de direction avant de s'immobiliser enfin. Pour étudier cette étape intermédiaire, les scientifiques recherchent des particules spécifiques, à courte durée de vie, qui agissent comme des messagers. Ces messagers naissent, voyagent pendant une fraction de seconde infime, puis se désintègrent en d'autres particules. En mesurant combien de ces messagers survivent au voyage, les chercheurs peuvent déduire combien de temps a duré l'étape chaotique intermédiaire et à quel point elle était encombrée.

Un chercheur utilisant le détecteur ALICE au CERN a examiné de plus près l'un de ces messagers, une particule connue sous le nom de K-star, lors de collisions entre protons. Bien que les protons soient beaucoup plus petits que les noyaux atomiques lourds habituellement fracassés dans ces expériences, des observations récentes suggèrent que même dans ces collisions minuscules, une version similaire, bien que plus petite, de cette soupe chaude pourrait se former. L'équipe s'est concentrée sur la façon dont la production de ces particules K-star change lorsque les collisions sont plus encombrées ou moins encombrées. Ils ont découvert que dans les collisions de protons les plus denses, le nombre de ces messagers à courte durée de vie chute de manière significative par rapport à une particule plus stable appelée K-zéro. Cette chute est un signal fort indiquant que les produits de désintégration du K-star sont diffusés par d'autres particules dans la zone de collision, empêchant le K-star d'être reconstruit ultérieurement. Cette observation constitue la première preuve claire d'une suppression significative du rapport K-star sur K-zéro dans les petits systèmes de collision, une découverte qui s'ajoute à l'enquête en cours pour savoir si un comportement aussi complexe, typiquement associé aux collisions d'ions lourds massifs, peut également se produire dans des systèmes plus petits.

Le chercheur a analysé les données de milliards de collisions de protons survenues à une énergie de centre de masse de 13 téra-électronvolts. Il a classé ces événements en différents groupes basés sur le nombre de particules chargées produites, allant de collisions éparses avec très peu de particules à des collisions extrêmement denses avec beaucoup de particules. Pour chaque groupe, il a reconstruit les particules K-star en cherchant leurs produits de désintégration : un pion chargé et une particule K-zéro neutre. Comme le K-star vit très peu de temps, il ne peut pas être vu directement ; le scientifique a donc dû le recomposer à partir des traces laissées par ses enfants. Il a également mesuré la production des particules K-zéro stables dans les mêmes événements pour servir de point de référence. En comparant le rapport des K-stars aux K-zéros à travers les différents niveaux d'encombrement, ils pouvaient voir comment l'environnement affectait les particules à courte durée de vie.

Les résultats ont montré une tendance claire et spectaculaire. À mesure que les collisions devenaient plus denses, le rapport K-stars sur K-zéros diminuait. Dans les événements les plus denses, ce rapport était nettement inférieur à celui des événements les moins denses. Le chercheur a calculé que cette baisse n'était pas une fluctuation aléatoire mais un effet physique réel, avec une certitude statistique correspondant à un niveau de signification de 7σ, ce qui signifie que la probabilité que cela se produise par hasard est infinitésimale. Cette suppression du signal K-star suggère que, dans les événements denses, les produits de désintégration du K-star entrent en collision avec d'autres particules du milieu avant que le K-star ne puisse être identifié. Ces collisions brouillent l'information nécessaire pour reconstruire la particule originale, la cachant efficacement aux détecteurs. Ce processus est connu sous le nom de diffusion ou « rescattering ». Le fait que cela se produise dans les collisions de protons implique que, même dans ces petits systèmes, il existe un environnement suffisamment dense pour que ces interactions se produisent, créant une phase hadronique de courte durée où les particules interagissent fortement entre elles.

Pour comprendre s'il s'agissait d'une nouvelle découverte ou simplement d'un effet connu, le chercheur a comparé ses résultats avec plusieurs modèles informatiques utilisés pour simuler les collisions de particules. Certains de ces modèles, qui reposent sur des théories standards de l'interaction des particules, prédisaient que le rapport devrait rester relativement plat ou surestimer les valeurs à haute multiplicité, échouant ainsi à correspondre à la chute observée. Ces modèles n'ont pas réussi à correspondre aux données. Cependant, un modèle appelé EPOS-LHC, qui inclut un mécanisme où des cordes d'énergie se chevauchent et interagissent dans un noyau dense, a reproduit avec succès la chute observée du rapport. Ce modèle ne nécessite pas d'« afterburner » spécial pour simuler les étapes ultérieures des interactions de particules ; la suppression émerge naturellement de la façon dont le modèle gère le noyau dense de la collision. Cela suggère que la suppression est une conséquence naturelle de la haute densité de particules dans la zone de collision.

Le chercheur a également examiné comment cet effet changeait avec la vitesse des particules. Il a constaté que la suppression était la plus forte pour les particules se déplaçant lentement. Les particules rapides étaient moins affectées, probablement parce qu'elles traversent le milieu dense trop rapidement pour être diffusées. Ce détail concorde avec l'idée que le processus de diffusion prend du temps ; les particules lentes passent plus de temps dans l'environnement encombré, ce qui leur donne plus d'opportunités de collisionner avec d'autres et de perdre leur identité. Le chercheur a également noté que, bien que le nombre total de particules produites augmentait avec la densité de la collision, la vitesse moyenne des particules augmentait également, un phénomène souvent observé dans les collisions d'ions lourds plus importantes et généralement attribué à une expansion collective du système.

Cette étude marque une étape importante dans la compréhension de la nature de la matière créée lors des collisions à haute énergie. En démontant une suppression claire des résonances à courte durée de vie dans les collisions proton-proton, la collaboration ALICE a fourni une preuve solide que le comportement complexe et fluide de la matière n'est pas l'exclusivité des collisions massives de noyaux atomiques lourds. Les résultats suggèrent que même dans les plus petits systèmes de collision, une phase de matière dense et interactive peut se former, durant juste assez longtemps pour diffuser les produits de désintégration de particules instables. Bien que les données soutiennent fortement l'existence de cette phase, le chercheur reconnaît que la nature exacte du milieu et la durée de cette phase restent des sujets de recherche continue. La capacité de certains modèles informatiques à reproduire ces résultats sans ajouter explicitement une phase hadronique indique que la physique sous-jacente est complexe, et la question de savoir si un véritable plasma de quarks et de gluons se forme dans ces petits systèmes reste ouverte. Néanmoins, l'observation de cette suppression avec un tel niveau de confiance offre un nouvel outil précis pour sonder les premiers instants de la création de la matière dans l'univers.

Résumé technique : Dépendance de la multiplicité de la production de $K^*(892)^\pm$ dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problématique et motivation
Des observations récentes à l'LHC dans les collisions proton-proton (pp) et proton-plomb (p–Pb) à haute multiplicité ont révélé des phénomènes traditionnellement associés aux collisions noyau-noyau (A–A), tels que l'enrichissement en strangess, le durcissement des spectres de quantité de mouvement transverse ( $p_T$ ), et des corrélations azimutales à longue portée. Ces caractéristiques suggèrent la formation possible d'un plasma de quarks et de gluons (QGP) ou d'une phase hadronique même dans les petits systèmes de collision. Les résonances hadroniques à courte durée de vie, telles que le $K^*(892)$ (durée de vie $\tau \approx 4$ fm/c), constituent des sondes critiques pour l'évolution tardive du milieu hadronique. Si une phase hadronique dotée d'une durée de vie finie existe, les produits de désintégration de ces résonances peuvent subir un réétalement (rescattering), empêchant leur reconstruction, ce qui conduit à une suppression du rendement mesuré par rapport aux hadrons stables. Inversement, les processus de régénération pourraient augmenter les rendements. Des mesures antérieures du rapport $K^*(892)^0/K^0_S$ dans les collisions pp ont suggéré une tendance à la suppression de bas en haut de multiplicité, mais avec une signification statistique de seulement $\sim 2\sigma$ . Cet article répond à la nécessité d'une plus grande précision pour confirmer si une suppression significative existe dans les petits systèmes de collision, ce qui fournirait la preuve d'une phase hadronique avec une durée de vie non nulle.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions pp à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV collectées par le détecteur ALICE durant la période 2016–2018, comprenant environ $1,3 \times 10^9$ événements de type « minimum-bias ».

Sélection des événements : Les événements sont classés en dix classes de multiplicité (I à X) basées sur la charge totale déposée dans les scintillateurs V0A et V0C, allant de la multiplicité la plus élevée (0–1 %) à la plus faible (70–100 %). L'analyse se concentre sur la classe « INEL>0 » (événements inélastiques avec au moins une particule chargée à $|\eta| < 1$ ).
Reconstruction des particules : La résonance $K^*(892)^\pm$ est reconstruite via son canal de désintégration hadronique $K^*(892)^\pm \to \pi^\pm + K^0_S$ . Le $K^0_S$ est ensuite reconstruit via sa désintégration en une paire $\pi^+\pi^-$ (topologie V0). Les pions primaires (issus de la désintégration du $K^*$ ) et les pions secondaires (issus de la désintégration du $K^0_S$ ) sont identifiés en utilisant la perte d'énergie par ionisation spécifique ($dE/dx$) dans la Chambre à Projection Temporelle (TPC) et le suivi dans le Système de Traçage Interne (ITS).
Extraction du signal : Le rendement brut est extrait de la distribution de masse invariante des paires $K^0_S \pi^\pm$ dans la plage de rapidité $|y| < 0,5$ . Le fond combinatoire est estimé par la technique du mélange d'événements (event-mixing). Le signal est ajusté avec une fonction de Breit–Wigner non relativiste plus une paramétrisation du fond résiduel.
Corrections et systématiques : Les rendements sont corrigés pour l'acceptation du détecteur, l'efficacité de reconstruction et la perte de signal due aux biais de déclenchement (trigger). Les incertitudes systématiques sont évaluées en faisant varier les critères de sélection (qualité de la trace, identification des particules, coupes topologiques), les plages d'ajustement, les fonctions de fond, et les largeurs de résonance. Les incertitudes non corrélées et corrélées entre les classes de multiplicité sont traitées séparément.

Principales contributions et résultats
Ce travail présente la première mesure de la production de $K^*(892)^\pm$ en fonction de la multiplicité des événements dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Caractéristiques spectrales : Les spectres différentiels de $p_T$ du $K^*(892)^\pm$ deviennent plus durs avec l'augmentation de la multiplicité, le pic de la distribution se déplaçant vers des valeurs de $p_T$ plus élevées. Cette tendance est cohérente avec les mesures précédentes du $K^*(892)^0$ et les observations de hadrons à plus longue durée de vie dans les collisions pp.
Rendement et $p_T$ moyen : Les rendements intégrés en $p_T$ ($dN/dy$) et les quantités de mouvement transverses moyennes ( $\langle p_T \rangle$ ) augmentent avec la densité moyenne de multiplicité de particules chargées $\langle dN_{ch}/d\eta \rangle$ . L'augmentation du rendement est approximativement linéaire, tandis que $\langle p_T \rangle$ montre des signes de saturation aux multiplicités élevées.
Suppression de la résonance : Le rapport des rendements $K^*(892)^\pm / K^0_S$ $K^{*} (892)^{\pm} / K_{S}^{0}$ diminue de manière significative à mesure que la multiplicité des événements augmente.
- Signification : La suppression entre les classes de multiplicité la plus basse et la plus haute est mesurée avec une signification statistique de 7 $\sigma$ , représentant la première observation claire de la suppression $K^*/K$ dans un petit système de collision. Cela améliore l'indice précédent de $\sim 2\sigma$ provenant des mesures du $K^*$ neutre.
- Dépendance en $p_T$ : Le double rapport (rapport de haute multiplicité divisé par le rapport de basse multiplicité) s'écarte de l'unité de plus de 3 $\sigma$ pour $p_T \lesssim 2$ GeV/c, indiquant que la suppression affecte principalement les résonances à faible $p_T$ .
Comparaisons avec les modèles :
- EPOS-LHC : Ce modèle, qui incorpore une séparation cœur-couronne (core-corona) et un flux collectif dans la région « cœur » sans utiliser d'« afterburner » (post-traitement) hadronique, reproduit avec succès la tendance décroissante du rapport $K^*/K$ avec la multiplicité.
- PYTHIA6/8 et DIPSY : Ces modèles surestiment généralement les rapports aux multiplicités élevées et ne parviennent pas à reproduire la tendance de suppression observée, bien que PYTHIA8 capture la forme du rapport différentiel en $p_T$ .

Signification et affirmations
L'article affirme que l'observation d'une suppression de 7 $\sigma$ du rapport $K^*(892)^\pm/K^0_S$ dans les collisions pp à haute multiplicité constitue la première preuve significative de la suppression des résonances dans les petits systèmes. Dans le contexte de la physique des noyaux lourds, une telle suppression est typiquement attribuée au réétalement des produits de désintégration dans une phase hadronique, impliquant une durée de vie finie pour cette phase. Les résultats suggèrent qu'une phase hadronique à courte durée de vie peut exister dans les collisions pp à haute multiplicité.

Cependant, l'auteur maintient une position modeste concernant l'interprétation. Il note que le modèle EPOS-LHC reproduit la tendance de suppression observée sans inclure explicitement d'afterburner hadronique (effets de réétalement/régénération), s'appuyant plutôt sur les contributions variables des régions « cœur » (hadronisation collective) et « couronne » (non collective) à travers les classes de multiplicité. Par conséquent, bien que les données soient cohérentes avec l'hypothèse d'une phase hadronique, la capacité des générateurs d'événements QCD à reproduire ces caractéristiques sans phase hadronique laisse la présence définitive d'une phase hadronique dans les collisions pp comme une question ouverte. Les résultats servent de référence de haute précision pour les modèles théoriques tentant de décrire la transition des petits vers les grands systèmes de collision.

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