Measurement of transverse polarization of $Λ$ and $\barΛ$ hyperons inside jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV

Cet article présente la première mesure de la polarisation transversale des hyperons $\Lambda$ et $\overline{\Lambda}$ à l'intérieur de jets dans des collisions proton-proton à 200 GeV, fournissant ainsi les premières contraintes sur la fonction de fragmentation polarisante des gluons et permettant de tester l'évolution TMD.

L'essentiel

🕵️‍♂️ Le Mystère du "Spin" : Pourquoi les particules tournent-elles ?

Imaginez que vous êtes dans un immense stade de football (c'est notre accélérateur de particules, le RHIC). Deux équipes de protons (des boules de billard microscopiques) foncent l'une sur l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière et entrent en collision.

Il y a 50 ans, les physiciens ont remarqué quelque chose de très étrange. Parmi les débris de cette collision, il y a une particule appelée Lambda (Λ). C'est un peu comme un "balle de tennis" dans le chaos. Le problème ? Cette balle de tennis ne vole pas n'importe comment : elle tourne sur elle-même (elle est polarisée) de manière très prononcée, même si les deux équipes qui ont percuté n'étaient pas "tournantes" au départ !

C'est comme si vous lançiez deux boules de billard lisses l'une contre l'autre, et que, par magie, la troisième boule qui en sortait se mettait à faire des pirouettes parfaites. Personne ne savait pourquoi cela arrivait. C'était le grand mystère de la physique des particules.

🧩 La Théorie : L'effet "Moulin à Vent"

Les scientifiques ont une théorie pour expliquer cela : le Lambda se forme à partir d'un morceau de matière invisible (un quark ou un gluon) qui se transforme en particule. Imaginez que ce morceau de matière est comme un moulin à vent.

Quand le vent (l'énergie de la collision) souffle, le moulin ne tourne pas juste n'importe comment. Il y a une "règle secrète" (appelée Fonction de Fragmentation Polarisation ou PFF) qui dicte comment le moulin doit tourner en fonction de la direction du vent.

Le problème, c'est que jusqu'à présent, on ne pouvait voir ce moulin tourner que dans des environnements très spécifiques (comme dans les collisions d'électrons et de positrons). Mais dans les collisions de protons (comme au RHIC), il y a un élément caché : le Gluon.

• L'analogie : Imaginez que vous essayez de comprendre comment un moulin tourne.
  • Dans les expériences précédentes (électrons), vous ne voyiez que les moulins à vent classiques (les quarks).
  • Dans cette nouvelle expérience (protons), vous avez ajouté des moulins à vent géants alimentés par des réacteurs nucléaires (les gluons). On ne savait pas du tout comment ces "super-moulins" se comportaient.

🚀 L'Expérience : Chasser les particules dans les "Jets"

L'équipe STAR (les détectives de l'expérience) a décidé de regarder de plus près. Au lieu de regarder les particules qui volent partout, ils ont décidé de regarder les particules qui voyagent en groupe, comme un essaim d'abeilles ou un jet de fusée. En physique, on appelle cela un "Jet".

Ils ont pris des milliards de collisions de protons à 200 GeV (une énergie colossale) et ont dit : "Regardez dans chaque essaim (jet). Y a-t-il un Lambda qui tourne ? Et dans quelle direction ?"

Ils ont mesuré trois choses :

1. La vitesse du jet (Est-ce un petit vent ou un ouragan ?).
2. La place du Lambda dans le jet (Est-il au centre ou sur le bord ?).
3. L'angle de rotation du Lambda par rapport au jet.

🔍 Les Résultats : Une Révolution de 50 Ans

Voici ce qu'ils ont découvert, et c'est fascinant :

1. Le Lambda (Λ) change d'humeur :

   • Quand le jet est lent (énergie faible), le Lambda tourne dans un sens (disons, vers la gauche).
   • Quand le jet devient très rapide (énergie élevée), le Lambda commence à tourner dans l'autre sens (vers la droite) !
   • L'analogie : C'est comme si un moulin à vent changeait de sens de rotation simplement parce que le vent est devenu plus fort. Cela suggère que la composition du "vent" change : à basse vitesse, ce sont les quarks qui dominent, mais à haute vitesse, les gluons prennent le relais et imposent leur propre règle de rotation.

2. L'Anti-Lambda (Λ̄) reste fidèle :

   • La particule "miroir" de l'Anti-Lambda, elle, continue de tourner toujours dans le même sens (vers la gauche), peu importe la vitesse du jet.

3. Le Grand Secret des Gluons :

   • C'est la première fois qu'on mesure cela dans les collisions de protons. Auparavant, les théoriciens devaient deviner comment les gluons se comportaient. Maintenant, ils ont des données réelles.
   • Les modèles théoriques actuels (basés sur d'autres expériences) prédisaient des résultats très différents. Nos mesures montrent que nos modèles sont incomplets. Il manque une pièce du puzzle : la façon dont les gluons polarisent les particules.

💡 Pourquoi est-ce important ?

Imaginez que vous essayez de comprendre comment fonctionne une voiture.

• Avant, vous ne connaissiez que le moteur (les quarks).
• Aujourd'hui, vous avez découvert que le système d'échappement (les gluons) a un impact énorme sur la direction de la voiture, et qu'il se comporte différemment selon que vous roulez en ville ou sur l'autoroute.

Cette expérience fournit la première carte de ce comportement des gluons. Cela aide à :

• Comprendre pourquoi l'univers est fait de la matière que nous voyons.
• Tester les lois fondamentales de la physique (la Chromodynamique Quantique).
• Préparer le terrain pour de futurs accélérateurs, comme le futur collisionneur électron-ion, qui pourra voir encore plus loin.

En résumé : Les physiciens ont enfin réussi à voir comment les "gluons" (les colleurs de l'univers) font tourner les particules dans les collisions de protons. Ils ont découvert que la vitesse change tout, et que nos anciennes théories avaient besoin d'une mise à jour majeure. C'est une victoire pour la compréhension de la matière à son niveau le plus fondamental.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Physique

La polarisation transversale des hyperons $\Lambda$ produits dans des collisions hadron-nucléon ou noyau-nucléon non polarisées est un phénomène observé depuis 50 ans, dont l'origine reste une question ouverte majeure en Chromodynamique Quantique (QCD).

• Le mystère : Des valeurs de polarisation allant jusqu'à $\sim 40\%$ ont été mesurées dans divers systèmes, alors que les calculs de QCD perturbative prédisent des contributions négligeables. Cela indique que le mécanisme sous-jacent est non perturbatif et lié à la hadronisation.
• Cadre théorique : La fonction de fragmentation polarisante (PFF, Polarizing Fragmentation Function) a été avancée comme cadre théorique pour expliquer ce phénomène. La PFF décrit la production d'un hadron transversalement polarisé à partir de la fragmentation d'un parton non polarisé.
• Enjeu actuel : Bien que des données de collisions $e^+e^-$ (notamment BELLE) aient permis d'extraire la PFF pour les quarks, elles offrent peu de contraintes sur la PFF des gluons. De plus, la question de l'universalité de la PFF (fonction de fragmentation T-impair) par rapport aux fonctions de distribution (comme la fonction de Sivers) nécessite des tests dans des environnements différents. Les collisions proton-proton ($pp$) sont idéales car elles impliquent une contribution significative de la fragmentation des gluons et une composition en saveurs de quarks différente de celle des collisions $e^+e^-$.

2. Méthodologie Expérimentale

Expérience et Données :

• Collaboration : STAR (Solenoidal Tracker at RHIC).
• Source de données : Collisions $pp$ non polarisées à $\sqrt{s} = 200$ GeV, collectées en 2015.
• Luminosité intégrée : $133 \text{ pb}^{-1}$.
• Détecteurs utilisés : Chambre à projection temporelle (TPC) pour la reconstruction des traces et l'identification des particules, et les calorimètres électromagnétiques (BEMC et EEMC) pour la détection des jets.

Sélection des Événements et Reconstruction :

• Déclenchement : Utilisation de déclencheurs "Jet Patch" (JP) basés sur l'énergie électromagnétique transverse dans le BEMC/EEMC.
• Reconstruction des $\Lambda$ et $\bar{\Lambda}$ : Via leur désintégration faible dominante ($\Lambda \to p + \pi^-$ et $\bar{\Lambda} \to \bar{p} + \pi^+$). Les candidats sont sélectionnés avec des critères topologiques pour supprimer le bruit de fond combinatoire. La pureté sous le pic de masse est d'environ 90%.
• Reconstruction des Jets : Algorithmes anti-$k_T$ avec un rayon $R=0.6$. Les jets sont reconstruits à partir des traces chargées, des dépôts d'énergie calorimétrique et des candidats $\Lambda/\bar{\Lambda}$. Les jets sont corrigés pour les contributions de l'événement sous-jacent.
• Définition de la polarisation : La direction de polarisation $\hat{S}$ est définie par le vecteur unitaire normal au plan de production du $\Lambda$ dans le jet : $\hat{S} = \frac{\vec{p}_{jet} \times \vec{p}_{\Lambda}}{|\vec{p}_{jet} \times \vec{p}_{\Lambda}|}$.

Extraction de la Polarisation :

• La polarisation $P_{\Lambda(\bar{\Lambda})}$ est extraite de la distribution angulaire des protons (ou antiprotons) filles dans le référentiel de repos du $\Lambda$, selon la loi :
  $$\frac{dN}{d\cos\theta^*} \propto A(\cos\theta^*) (1 + \alpha_{\Lambda(\bar{\Lambda})} P_{\Lambda(\bar{\Lambda})} \cos\theta^*)$$
  où $\alpha$ est le paramètre de désintégration connu et $\theta^*$ l'angle entre la direction de polarisation et l'impulsion de la particule fille.
• Corrections :
  • Acceptance : Utilise une méthode d'événements mixtes (ME) pour corriger l'acceptance du détecteur, avec un reweighting 3D pour corriger les corrélations physiques absentes dans les événements mixtes.
  • Résolution : Correction d'un facteur de dilution (0.86 à 0.94) dû à la résolution de l'axe du jet.
  • Fond : Soustraction du fond résiduel par la méthode des bandes latérales.
  • Validation : Tests de nullité avec les $K_S^0$ (spin 0) et tests de fermeture sur des simulations Monte Carlo (PYTHIA).

3. Résultats Clés

Les mesures sont présentées en fonction de l'impulsion transversale du jet ($p_T^{jet}$), de la fraction d'impulsion du jet portée par l'hyperon ($z$), et de l'impulsion transversale de l'hyperon par rapport à l'axe du jet ($j_T$).

• Dépendance en $p_T^{jet}$ :

  • $\Lambda$ : Une dépendance claire est observée. La polarisation passe de valeurs négatives à faible $p_T^{jet}$ à des valeurs positives à haut $p_T^{jet}$. La valeur moyenne est de $0.24 \pm 0.19 (\text{stat}) \pm 0.09 (\text{sys}) \%$.
  • $\bar{\Lambda}$ : La polarisation reste majoritairement négative sur toute la gamme de $p_T^{jet}$ mesurée, avec une valeur moyenne de $-0.77 \pm 0.20 (\text{stat}) \pm 0.09 (\text{sys}) \%$.
  • Interprétation : Ce comportement suggère un changement dans la composition en saveurs des partons parents (quarks vs gluons) en fonction de l'énergie du jet. Les jets $\Lambda$ sont plus sensibles aux quarks $u$ et $d$ (valence) à haut $p_T$, tandis que les jets $\bar{\Lambda}$ sont plus influencés par les gluons et les antiquarks de mer.

• Dépendance en $z$ et $j_T$ :

  • À faible et moyen $p_T^{jet}$, aucune dépendance claire n'est observée pour $z$ ou $j_T$.
  • À haut $p_T^{jet}$ ($> 11.9$ GeV/c), les polarisations de $\Lambda$ et $\bar{\Lambda}$ montrent des signes opposés marqués en fonction de $z$.
  • Aucune dépendance significative n'est observée en fonction de $j_T$, sauf pour le signe opposé à haut $p_T$.

• Comparaison avec les modèles :

  • Les données sont comparées à des prédictions théoriques (scénarios DGMZ 1-3) basées sur des ajustements globaux de données $e^+e^-$ (BELLE) en supposant une PFF de gluon nulle.
  • Discordance : Des écarts significatifs apparaissent, particulièrement à haut $p_T^{jet}$, indiquant que les modèles actuels, qui négligent ou sous-estiment la contribution des gluons, ne décrivent pas correctement les données $pp$.

4. Contributions et Significativité

• Première mesure directe : Il s'agit de la première mesure de la polarisation transversale de $\Lambda$ et $\bar{\Lambda}$ à l'intérieur de jets dans des collisions $pp$ non polarisées.
• Contrainte sur la PFF des gluons : Ces résultats fournissent les premières contraintes expérimentales directes sur la fonction de fragmentation polarisante des gluons, un ingrédient manquant crucial pour la compréhension complète de la hadronisation.
• Test de l'universalité : En combinant ces données avec celles des collisions $e^+e^-$ et de la diffusion inélastique profonde (DIS), il devient possible de tester l'universalité de la PFF (qui devrait être T-impair mais universel, contrairement à la fonction de Sivers).
• Évolution TMD : La couverture d'une large gamme d'énergie de jets permet de tester les effets d'évolution des fonctions de fragmentation dépendantes de l'impulsion transversale (TMD).
• Impact théorique : Les écarts observés entre les données et les modèles basés uniquement sur les quarks soulignent l'importance critique de la contribution des gluons et la nécessité d'inclure la PFF des gluons dans les ajustements globaux de QCD.

En conclusion, cette étude ouvre une nouvelle fenêtre sur la dynamique de spin non perturbative en QCD et fournit des données essentielles pour affiner les modèles de fragmentation des hadrons dans les collisions hadroniques.