Finite $V_{\rm 2\Delta}$ puzzle in low-multiplicity pp collisions from ultra-long-range azimuthal correlations in the string-shoving model

Résumé Technique : $v_{2\Delta}$ fini dans les collisions $pp$ à faible multiplicité issus du modèle de « String Shoving » à ultra-longue portée azimutale

Énoncé du Problème
Des mesures récentes d'ALICE ont rapporté des corrélations angulaires à ultra-longue portée ($|\Delta\eta| > 5,0$) dans les collisions proton-proton ($pp$) à$\sqrt{s} = 13$ TeV, même à de faibles multiplicités de particules chargées ($dN_{ch}/d\eta < 7$). Ces corrélations présentent un coefficient de Fourier de second ordre non nul ($v_{2\Delta}$), traditionnellement interprété comme un flux elliptique. Cependant, les modèles théoriques sont confrontés à des défis importants pour expliquer ces observations :

1. Les modèles hydrodynamiques (par exemple, 3D-Glauber + MUSIC + UrQMD) sous-estiment sévèrement le $v_{2\Delta}$ à faible multiplicité, bien qu'ils décrivent avec succès les données à haute multiplicité.
2. Les modèles d'état initial (par exemple, le Verre de Gluons Colorés / CGC) ne génèrent généralement que des corrélations à courte portée qui disparaissent aux ultra-longues portées.
3. Les générateurs de Monte Carlo comme PYTHIA8 avec le mécanisme de « string shoving » (un modèle non hydrodynamique où des cordes de couleur se chevauchant exercent une pression transverse répulsive) peuvent générer des structures de type « ridge ». Cependant, des comparaisons antérieures ont montré que ce mécanisme produit un $v_{2\Delta}$ qui diminue avec l'augmentation de la multiplicité ($N_{ch}$), ce qui contredit la tendance faiblement croissante ou plate observée expérimentalement.

Cette divergence suggère que le choix de l'estimateur d'activité de l'événement (spécifiquement $N_{ch}$) peut introduire des biais qui occultent le comportement réel des effets de type collectif dans les petits systèmes.

Méthodologie
Les auteurs ont mené une investigation systématique en utilisant PYTHIA8 (version 8.312) avec le mécanisme de string shoving activé.

• Génération d'événements : 10 milliards de collisions $pp$ ont été simulées à $\sqrt{s} = 13$ TeV en utilisant la base de l'ajustement (tune) Monash, modifiée pour inclure le string shoving avec un paramètre de force répulsive $g=10$ (estimation conservatrice) et des variations allant jusqu'à $g=40$.
• Analyse de corrélation : Les corrélations de deux particules ont été construites en utilisant des particules chargées dans des intervalles de pseudo-rapidité avant ($2.6 < \eta < 3.2$) et arrière ($-3.0 < \eta < -2.0$), en sélectionnant des paires avec $5.0 < |\Delta\eta| < 6.0$.
• Soustraction du Non-Flow : Une méthode d'ajustement par template a été employée pour extraire le coefficient $v_{2\Delta}$. Les distributions à haute multiplicité ont été ajustées comme une superposition d'un template de faible multiplicité (représentant le non-flow) et d'une série de Fourier représentant une modulation de type flux. L'étude a validé cette implémentation en reproduisant les résultats de PYTHIA8 rapportés par ALICE.
• Classificateurs d'événements : L'analyse a comparé trois estimateurs d'activité d'événement pour évaluer les biais de sélection :
  1. $N_{ch}$ : La multiplicité traditionnelle de particules chargées en rapidité intermédiaire ($|\eta| < 0,8$).
  2. $N_{mpi}$ : Le nombre d'interactions multipartoniques (un proxy direct de la densité de cordes de l'état initial).
  3. Flattenicity ($1-\rho_{nch}$) : Un observable de la forme globale de l'événement conçu pour isoler les événements dominés par les MPI tout en minimisant le biais provenant des processus durs localisés (jets).

Résultats Clés

1. Dépendance à la multiplicité et biais :

   • Lorsqu'ils sont classifiés par $N_{ch}$, le modèle de string shoving reproduit la tendance précédemment observée : le $v_{2\Delta}$ diminue à mesure que $N_{ch}$ augmente, convergeant finalement avec la version Monash (sans shoving) à haute multiplicité.
   • Lorsqu'ils sont classifiés par $N_{mpi}$ ou par la flattenicity, le comportement change de manière significative. Les corrélations à ultra-longue portée les plus fortes (et les structures de « ridge » côté proche les plus distinctes) apparaissent dans les classes de plus faible $N_{mpi}$ (spécifiquement $N_{mpi} \approx 1-3$, correspondant à des événements de type dijet).
   • À mesure que $N_{mpi}$ augmente, la force de la corrélation diminue. Cela indique que le mécanisme de string shoving est plus efficace dans des environnements géométriquement anisotropes et épars (peu de cordes se chevauchant) et devient inefficace dans des environnements denses et isotropes.

2. Artefacts de soustraction de template :

   • L'étude a constaté que les templates de faible multiplicité dérivés du modèle de string shoving contiennent déjà des corrélations de type flux significatives. Lorsque ces templates sont utilisés pour soustraire le non-flow des classes de plus haute multiplicité, une sur-soustraction se produit, supprimant artificiellement les valeurs de $v_{2\Delta}$ extraites et exacerbant la tendance décroissante.

3. Comparaison avec les données :

   • Bien que le mécanisme de string shoving explique l'existence de corrélations dans les événements à faible multiplicité, il ne parvient pas à reproduire l'amplitude et la tendance des données d'ALICE à haute multiplicité lorsqu'en utilisant $N_{ch}$ comme classificateur.
   • Le modèle hydrodynamique échoue à faible multiplicité mais montre une tendance croissante à haute multiplicité, suggérant une transition dans le mécanisme physique dominant.

Contributions Clés
L'article apporte trois contributions primaires à la compréhension de la collectivité dans les petits systèmes :

1. Comparaison systématique des estimateurs : Il fournit la première comparaison systématique de $N_{ch}$, $N_{mpi}$ et de la flattenicity au sein du cadre de string shoving pour les corrélations à ultra-longue portée, révélant que $N_{ch}$ introduit un biais significatif en confondant les événements dominés par les jets avec les événements isotropes riches en MPI.
2. Identification de la saturation : L'étude identifie une « saturation intégrée » dans le mécanisme de string shoving : l'effet culmine dans les événements à faible $N_{mpi}$ (type dijet) et diminue dans les environnements denses, contrairement à l'attente que les effets collectifs augmentent linéairement avec l'activité.
3. Validation de la Flattenicity : L'analyse démontre que la flattenicity est un estimateur supérieur pour isoler les effets de type collectifs dans les petits systèmes. Elle sélectionne des topologies d'événements avec un biais réduit par les processus durs, révélant une structure de corrélation plus propre qui reflète mieux la densité de cordes sous-jacente.

Signification et Revendications
Les auteurs concluent que le $v_{2\Delta}$ fini observé dans les collisions $pp$ à faible multiplicité peut être expliqué par des effets d'état initial (string shoving) sans invoquer un plasma de quarks et de gluons (QGP) thermalisé. Cependant, le mécanisme présente des limites :

• Faible multiplicité : Le string shoving domine, fournissant une explication non hydrodynamique à la collectivité dans les systèmes épars.
• Haute multiplicité : Le mécanisme de string shoving seul ne peut expliquer les données ; l'expansion hydrodynamique devient de plus en plus pertinente à mesure que la taille et la densité du système croissent.

L'article préconise de dépasser les analyses traditionnelles basées sur $N_{ch}$ en faveur d'estimateurs globaux sensibles à la topologie comme la flattenicity. Ce changement est nécessaire pour éviter les biais qui distordent artificiellement les tendances observées et pour parvenir à une interprétation plus physiquement significative des phénomènes collectifs dans les petits systèmes de collision. Le travail soutient une image d'un onset graduel de la collectivité, où les mécanismes d'état initial dominent dans les petits systèmes et l'expansion hydrodynamique finale prend le relais dans les environnements plus grands et plus denses.