Inclusive $ψ(2S)$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Cette étude présente pour la première fois la mesure de la production inclusive de mésons $\psi(2S)$ à mi-rapidité dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV avec le détecteur ALICE, révélant une légère augmentation du rapport de section efficace $\psi(2S)$-sur-J/$\psi$ avec l'impulsion transverse.

L'essentiel

🌌 Le Grand Jeu des "Jumeaux" de la Matière

Imaginez que l'univers est construit avec des Lego. Parmi ces briques, il y a des pièces spéciales appelées quarks. Parfois, deux quarks (un charme et son anti-partenaire) s'agrippent l'un à l'autre pour former une petite famille stable. On appelle cela un charmonium.

Dans cette famille, il y a deux frères célèbres :

1. Le J/ψ : Le grand frère, plus lourd et plus facile à repérer.
2. Le ψ(2S) : Le petit frère, un peu plus fragile et plus difficile à attraper.

Jusqu'à présent, les scientifiques savaient bien observer le grand frère (J/ψ), mais le petit frère (ψ(2S)) restait un peu mystérieux, surtout à des vitesses "moyennes". C'est là que l'expérience ALICE entre en jeu.

🏎️ La Course de Formule 1 (Le Collisionneur)

Pour étudier ces particules, les physiciens du CERN (à Genève) utilisent le LHC, une immense piste de course circulaire de 27 kilomètres. Ils y lancent des protons (des petits paquets de matière) à une vitesse proche de celle de la lumière.

• L'Accident : Quand deux trains de protons se percutent de face, c'est un crash titanesque. L'énergie libérée est si grande qu'elle fait apparaître de nouvelles particules, comme si on ouvrait une boîte de Lego géante et que des pièces volaient partout.
• Le Défi : Parmi des milliards de débris, il faut trouver les rares paires de quarks qui ont formé le petit frère ψ(2S). C'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin, sauf que l'aiguille est invisible et la botte de foin est remplie de millions d'autres aiguilles.

🔍 La Loupe Magique (Le Détecteur ALICE)

Pour voir ces particules, l'équipe ALICE a construit un détecteur géant qui agit comme une caméra ultra-rapide et ultra-sensible.

• Le Problème : Habituellement, les physiciens regardent tout ce qui se passe (comme une caméra de surveillance qui filme tout le stade). Mais le petit frère ψ(2S) est si rare que, dans un match normal, on ne le verrait presque jamais.
• La Solution (Le Déclencheur TRD) : Cette fois, les scientifiques ont utilisé un système de "déclencheur" intelligent (le détecteur TRD). Imaginez un gardien de but qui ne regarde pas tout le terrain, mais qui ne s'intéresse qu'aux joueurs qui portent un maillot rouge spécifique (les électrons rapides).
  • Grâce à ce filtre, ils ont pu concentrer leur attention sur les courses les plus intéressantes.
  • Résultat : Ils ont pu observer le petit frère ψ(2S) à des vitesses qu'ils n'avaient jamais pu atteindre auparavant (entre 4 et 16 GeV/c). C'est comme si on avait réussi à photographier un oiseau rare qui vole à une vitesse précise, là où on ne l'avait jamais vu.

📊 Ce qu'ils ont découvert

En regardant ces collisions, les scientifiques ont mesuré deux choses principales :

1. La Fréquence de Production : Ils ont compté combien de fois le petit frère ψ(2S) est apparu par rapport à la vitesse de collision.
   • La découverte : Plus les particules vont vite, plus il y a de ψ(2S) produits, mais pas de façon explosive. C'est une augmentation douce et régulière.
2. Le Ratio (Le Grand Frère vs Le Petit Frère) : Ils ont comparé le nombre de J/ψ (grand frère) et de ψ(2S) (petit frère).
   • Le résultat : À mesure que la vitesse augmente, le petit frère devient un peu plus fréquent par rapport au grand. C'est une tendance légère, mais importante.

🧠 Pourquoi est-ce important ? (La Théorie)

Les physiciens ont des livres de recettes théoriques pour prédire comment ces particules devraient se comporter. Deux modèles principaux sont en lice :

• Le Modèle NRQCD : C'est une recette très détaillée qui prend en compte toutes les forces complexes de la nature.
  • Verdict : Nos observations correspondent parfaitement à cette recette ! Le modèle prédit exactement ce que nous avons vu.
• Le Modèle ICEM : C'est une recette plus simplifiée, basée sur l'idée que tout est prévisible et uniforme.
  • Verdict : Ce modèle prédit que le rapport entre les deux frères devrait rester constant, peu importe la vitesse. Or, nos données montrent que ça change légèrement. Le modèle simplifié ne colle pas tout à fait.

🏁 En Résumé

Cette étude est comme une nouvelle page dans le manuel de physique des particules. En utilisant un filtre intelligent pour "chasser" spécifiquement les particules rapides, l'équipe ALICE a réussi à :

1. Voir le petit frère ψ(2S) à des vitesses inédites.
2. Confirmer que nos théories les plus complexes (NRQCD) sont correctes pour décrire l'univers à cette échelle.
3. Montrer que la nature est un peu plus subtile que les modèles simplifiés ne le pensaient.

C'est une victoire pour la précision : nous comprenons un peu mieux comment la matière se construit et se transforme lors des collisions les plus violentes de l'univers.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Scientifique

La production de charmonium (états liés d'une paire quark-antiquark charme, $c\bar{c}$), en particulier le $J/\psi$ et son état excité $\psi(2S)$, constitue un test fondamental pour la Chromodynamique Quantique (QCD). Bien que la production de $J/\psi$ soit bien étudiée, la mesure de la production inclusive de $\psi(2S)$ à midrapidité ($|y| < 0.9$) dans les collisions proton-proton (pp) à haute énergie manquait de données précises, notamment à bas impulsion transverse ($p_T$).

Les enjeux principaux sont :

• Compréhension des mécanismes de formation : Distinguer entre la production directe (prompte) et la production non-prompte (issue des désintégrations de hadrons beauté).
• Test de la factorisation et de l'universalité : Vérifier si les modèles théoriques (comme le NRQCD ou le modèle ICEM) peuvent décrire correctement les sections efficaces et les rapports de production entre différents états de charmonium, indépendamment du système de collision.
• Complémentarité des mesures : Combler le vide expérimental entre les mesures à midrapidité (CMS, ATLAS) à haut $p_T$ et les mesures à avant-rapidité (ALICE) à bas $p_T$.

2. Méthodologie Expérimentale

L'analyse repose sur les données collectées par le détecteur ALICE au LHC lors des campagnes de Run 2 (2017-2018) pour des collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Échantillon de données :

  • Utilisation d'un déclenchement (trigger) de niveau 1 basé sur le Détecteur de Rayonnement de Transition (TRD). Ce déclenchement cible les électrons et positrons de $p_T \ge 2$ GeV/c.
  • Cette stratégie a permis d'augmenter considérablement le taux d'événements contenant des quarkonia par rapport à un déclenchement "Minimum Bias" (MB), avec un facteur d'enrichissement d'environ 34.
  • Luminosité intégrée : $1.7 \pm 1.8\% \text{ (syst.) pb}^{-1}$.
  • Nombre d'événements sélectionnés : $1.78 \times 10^8$.

• Reconstruction des particules :

  • Les $\psi(2S)$ et $J/\psi$ sont reconstruits via leur canal de désintégration en paire électron-positron ($e^+e^-$).
  • Les traces sont reconstruites en utilisant le Système de Traçage Intérieur (ITS) et la Chambre à Projection Temporelle (TPC), couvrant $|\eta| < 0.9$.
  • L'identification des électrons repose sur la perte d'énergie spécifique ($dE/dx$) dans la TPC et l'information du TRD.

• Analyse des données :

  • Extraction du signal : Les distributions de masse invariante ($m_{ee}$) des paires $e^+e^-$ sont ajustées. Le bruit de fond combinatoire est estimé par la technique des événements mélangés (Mixed-Event). Le signal est extrait par ajustement avec des templates Monte Carlo (MC) pour le $J/\psi$ et le $\psi(2S)$, plus une fonction polynomiale pour le bruit de fond corrélé (désintégrations semi-leptoniques de saveurs lourdes).
  • Corrections : Les sections efficaces différentielles en $p_T$ sont obtenues en corrigeant le nombre brut de candidats pour l'acceptance géométrique, l'efficacité de reconstruction (tracking et PID), l'efficacité du déclenchement TRD et le rapport d'embranchement.
  • Simulations : Les simulations Monte Carlo utilisent PYTHIA 6.4 (tune Perugia 2011) pour la génération des événements, EvtGen pour les désintégrations, et GEANT3 pour le transport dans le détecteur. Les distributions en $p_T$ sont pondérées pour correspondre aux mesures existantes.

• Estimation des incertitudes :

  • Les incertitudes systématiques proviennent de l'efficacité de traçage, de l'identification des particules (PID), de l'extraction du signal, de la forme des distributions en $p_T$ d'entrée, et de l'efficacité du déclenchement TRD.
  • L'incertitude sur la luminosité intégrée est de 1.8 %.

3. Contributions Clés et Résultats

A. Mesure de la section efficace différentielle en $p_T$ du $\psi(2S)$

• Pour la première fois, la production inclusive de $\psi(2S)$ est mesurée à midrapidité ($|y| < 0.9$) dans la plage de $p_T$ de 4 à 16 GeV/c.
• Cette mesure étend la plage accessible par rapport aux expériences ATLAS et CMS qui commençaient à $p_T > 8$ ou $> 20$ GeV/c.
• Le spectre en $p_T$ suit une loi de puissance et est bien décrit par un ajustement ($\chi^2/NDF = 0.45$).
• Comparaison avec ATLAS : Dans la région de recouvrement ($8-16$ GeV/c), les résultats d'ALICE sont en parfait accord avec les données inclusives dérivées d'ATLAS.

B. Rapport de sections efficaces $\psi(2S)/J/\psi$

• Le rapport des sections efficaces inclusives $\sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi)$ est mesuré pour la première fois à midrapidité dans cette plage de $p_T$.
• Observation majeure : Une légère augmentation de ce rapport est observée avec l'augmentation de $p_T$.
• Ce rapport est compatible avec les mesures à avant-rapidité d'ALICE, suggérant une dépendance faible à la rapidité dans cette plage d'énergie.
• Le rapport est également compatible avec les résultats inclusifs d'ATLAS dans la zone de recouvrement.

C. Comparaison avec les modèles théoriques

• NRQCD (Non-Relativistic QCD) : Les calculs NRQCD à l'ordre suivant le plus élevé (NLO) décrivent quantitativement les données sur toute la plage de $p_T$, tant pour la section efficace absolue que pour le rapport $\psi(2S)/J/\psi$. La tendance croissante du rapport est bien reproduite.
• ICEM (Improved Color Evaporation Model) : Les prédictions de l'ICEM sont compatibles avec les données de la section efficace $\psi(2S)$ (bien que tendant vers la limite inférieure), mais elles prédisent un rapport $\psi(2S)/J/\psi$ presque plat, ce qui est en tension avec la tendance croissante observée expérimentalement. Cela met en lumière les limites de l'hypothèse d'universalité de la fragmentation dans ce modèle pour les états excités.

4. Signification et Impact

• Extension du domaine d'exploration : Cette mesure comble un vide crucial en fournissant des données précises à bas $p_T$ ($4-8$ GeV/c) à midrapidité, une région inaccessible aux autres expériences du LHC pour le $\psi(2S)$.
• Contrainte sur la QCD : La capacité du modèle NRQCD à reproduire à la fois les sections efficaces et l'évolution du rapport $\psi(2S)/J/\psi$ renforce la validité du formalisme de factorisation NRQCD pour la production de quarkonium.
• Compréhension de l'hadronisation : La divergence observée avec le modèle ICEM concernant l'évolution du rapport suggère que les mécanismes d'hadronisation des paires $c\bar{c}$ en états excités peuvent être plus complexes que prévu par les modèles d'évaporation de couleur simples, ou dépendre de l'environnement de collision.
• Référence pour les collisions noyau-noyau : Ces résultats constituent une référence essentielle (baseline) pour l'étude de la suppression du charmonium dans le plasma de quarks et de gluons (QGP) créé lors des collisions d'ions lourds, où le $\psi(2S)$ est un sonde sensible de la température du milieu.

En résumé, cette publication fournit la première caractérisation complète de la production de $\psi(2S)$ à midrapidité à 13 TeV, validant les prédictions NRQCD et offrant de nouvelles contraintes sur les modèles de formation des hadrons lourds.