Measurements of the production of W$^{\pm}$ and Z$^0$ bosons in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Cette étude présente les mesures des sections efficaces de production des bosons W± et Z0 dans les collisions pp à 13 TeV par l'expérience ALICE au LHC, confirmant les prédictions de la QCD perturbative et révélant pour la première fois une corrélation entre la production de bosons W± et la multiplicité des particules chargées.

L'essentiel

🌌 Le Grand Accélérateur : Une enquête sur les "fantômes" de l'énergie

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN comme une immense piste de course pour des voitures de Formule 1. Ces voitures sont en fait des protons (des particules de matière). Dans cette expérience, les physiciens de la collaboration ALICE ont fait entrer en collision deux de ces voitures à une vitesse proche de celle de la lumière, créant une explosion d'énergie pure.

L'objectif ? Comprendre comment la matière se comporte dans des conditions extrêmes, un peu comme si on essayait de comprendre comment l'eau se comporte en la transformant instantanément en vapeur explosive.

1. Les "Messagers" : Les bosons W et Z

Dans cette explosion, des particules très spéciales apparaissent : les bosons W et Z.

• L'analogie : Imaginez que la collision est un grand concert de rock très bruyant. La plupart des particules produites sont comme le public : elles crient, elles bougent, elles interagissent toutes entre elles (c'est la "force forte").
• Les bosons W et Z, eux, sont comme des messagers silencieux qui traversent la foule sans être touchés par personne. Ils ne parlent pas la langue de la foule (la force forte), mais seulement celle des "messagers" (la force faible).
• Parce qu'ils sont "silencieux" et ne sont pas perturbés par le chaos de l'explosion, ils nous donnent une image très claire et précise de ce qui s'est passé au tout début de la collision, avant que le chaos ne commence.

2. Le Défi : Les repérer dans la foule

Le problème, c'est que ces messagers sont très rares et se désintègrent presque instantanément en électrons (des particules chargées).

• L'analogie : C'est comme essayer de trouver une aiguille dans une botte de foin, mais l'aiguille est en train de se transformer en poussière dès qu'on la touche.
• Les physiciens d'ALICE ont utilisé un détecteur géant (une sorte de caméra 3D ultra-rapide) pour repérer ces électrons. Ils ont filtré des milliards de collisions pour ne garder que celles où un électron très énergétique (comme un projectile rapide) était présent.

3. Les Résultats : Ce que nous avons appris

A. La carte de l'énergie (Les sections efficaces)
Les chercheurs ont mesuré combien de fois ces bosons apparaissent.

• Le résultat : Leurs mesures correspondent parfaitement aux prédictions des mathématiciens théoriciens. C'est comme si un architecte avait dessiné un plan de maison, et que lorsque les ouvriers ont construit la maison, tout correspondait exactement au plan. Cela valide notre compréhension de la physique fondamentale (la Chromodynamique Quantique).

B. L'énigme de la "foule" (La dépendance à la multiplicité)
C'est ici que ça devient fascinant. Les chercheurs ont regardé ce qui se passe quand la collision produit beaucoup de particules (une "foule" dense) par rapport à quand elle en produit peu.

• Le comportement des bosons W : Ils augmentent de manière linéaire.
  • L'analogie : Si vous doublez la taille de la foule, vous doublez simplement le nombre de messagers. C'est prévisible, comme ajouter plus de billets dans une machine à sous : plus vous jouez, plus vous gagnez, proportionnellement.
• Le comportement des autres particules (les hadrons) : Elles augmentent de manière exponentielle (plus vite que la ligne droite).
  • L'analogie : Imaginez que dans une foule très dense, les gens commencent à se donner la main et à former des groupes. Si vous ajoutez une seule personne de plus, cela déclenche une réaction en chaîne où tout le monde se connecte. C'est ce qu'on appelle la "reconnexion de couleur". Les particules ordinaires profitent de la densité pour se multiplier plus vite que prévu.

C. La grande découverte
Pour la première fois, ALICE a observé que les messagers (bosons W) restent calmes et prévisibles, même quand la foule devient énorme, tandis que les autres particules s'emballe et se multiplient de façon explosive.

• Cela confirme que les bosons W sont vraiment "indépendants" de la foule (ils ne subissent pas la reconnexion de couleur), ce qui en fait des témoins parfaits pour étudier la matière sans être influencés par elle.

4. Pourquoi est-ce important ?

Cette expérience nous aide à comprendre deux choses :

1. La structure de la matière : Elle nous dit comment les "briques" de base de l'univers (les quarks) sont réparties à l'intérieur des protons.
2. L'origine de l'univers : En étudiant comment les particules interagissent dans des collisions "petites" (proton-proton), nous pouvons mieux comprendre ce qui s'est passé dans les tout premiers instants après le Big Bang, ou dans les collisions d'ions lourds où l'on crée un "plasma de quarks-gluons" (une soupe de matière primordiale).

En résumé

Les physiciens d'ALICE ont joué au détective dans une explosion d'énergie. Ils ont prouvé que leurs théories mathématiques sont solides et ont découvert que, dans le chaos d'une collision, certaines particules (les bosons W) restent des observateurs neutres et prévisibles, tandis que les autres s'agitent et se multiplient de façon explosive. C'est une victoire pour notre compréhension des lois fondamentales de l'univers.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte Scientifique

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des systèmes de collisionnels de petite taille (collisions pp) au LHC. Bien que le Plasma de Quarks et de Gluons (QGP) soit principalement associé aux collisions d'ions lourds, des observations récentes dans les collisions pp à haute multiplicité suggèrent l'existence de phénomènes collectifs (anisotropie azimutale, suppression à haut $p_T$) qui pourraient être attribués soit à des effets d'état final (hydrodynamique), soit à des mécanismes d'interaction multiparton (MPI) et de reconnexion de couleur (CR) dans le vide.

Le défi majeur réside dans la distinction entre les effets réels de la matière dense et les autocorrélations (biais de sélection où la particule mesurée contribue à la définition de la multiplicité de l'événement).

• Le rôle des bosons électrofaibles : Les bosons $W^\pm$ et $Z^0$ sont produits via le processus de Drell-Yan. Étant des particules faiblement interactives et sans charge de couleur, ils ne subissent pas d'interactions fortes avec le milieu créé ni d'effets de reconnexion de couleur. Ils constituent donc des sondes idéales pour servir de référence.
• Objectif : Mesurer la production de ces bosons en fonction de la multiplicité des particules chargées pour déterminer si leur production suit une relation linéaire (attendue si aucun effet de milieu n'est présent) ou si elle présente des déviations, et comparer cela avec la production de hadrons associés.

2. Méthodologie Expérimentale

L'analyse repose sur des données de collisions proton-proton ($pp$) à une énergie dans le centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, enregistrées par le détecteur ALICE entre 2016 et 2018.

• Échantillon de données : Les événements sont sélectionnés via un déclenchement « minimum bias » (MB) combiné à un déclenchement sur le calorimètre électromagnétique (EMCal) pour enrichir l'échantillon en électrons de haute énergie. La luminosité intégrée analysée est de $7,8 \text{ pb}^{-1}$.
• Reconstruction des bosons :
  • $Z^0$ : Reconstruit via la masse invariante de paires d'électrons de signes opposés ($e^+e^-$). La sélection impose une masse invariante $60 < m_{ee} < 108 \text{ GeV}/c^2$, avec un électron « déclencheur » ayant $30 < p_T < 60 \text{ GeV}/c$ et $|y| < 0,6$.
  • $W^\pm$ : Détectés via leur canal de désintégration semi-leptonique ($W \to e\nu$). Le signal est extrait de la distribution du $p_T$ des électrons uniques, après soustraction des fonds.
• Identification des électrons : Elle combine les informations du Système de Traçage Intérieur (ITS), de la Chambre à Projection Temporelle (TPC) (perte d'énergie spécifique $dE/dx$) et du Calorimètre Électromagnétique (EMCal) (rapport énergie/impulsion $E/p$ et forme de la gerbe). Des critères d'isolement stricts ($E_{iso} < 0,1$) sont appliqués pour rejeter les électrons issus de désintégrations de hadrons lourds ou de conversions de photons.
• Estimation des fonds : Les contributions des hadrons (via la distribution $E/p$), des désintégrations de hadrons lourds ($c, b$), des bosons $Z^0$ (dans le cas des $W$) et des conversions sont estimées et soustraites statistiquement.
• Analyse de la multiplicité : La densité de particules chargées ($dN_{ch}/d\eta$) est mesurée dans $|\eta| < 1$ à l'aide des « tracklets » du SPD. Les rendements sont normalisés par rapport à la moyenne de l'échantillon global pour étudier les dépendances.

3. Contributions Clés

Cette publication présente plusieurs premières mesures au LHC :

1. Mesures de sections efficaces : Première mesure par ALICE des sections efficaces de production des bosons $W^\pm$ et $Z^0$ dans le canal électronique au milieu de rapidité ($|y| < 0,6$) à 13 TeV.
2. Dépendance à la multiplicité : Première mesure au LHC de la production de bosons $W^\pm$ et de hadrons associés en fonction de la multiplicité des particules chargées.
3. Test des modèles QCD : Comparaison directe des résultats avec des calculs perturbatifs QCD (pQCD) utilisant différentes fonctions de distribution de partons (PDFs : CT14NNLO, CT18NLO, NNPDF4.0) et des simulations Monte Carlo (PYTHIA 8) incluant les effets de MPI et de reconnexion de couleur.

4. Résultats Principaux

A. Sections efficaces de production

• Boson $Z^0$ : La section efficace fiduciale mesurée est $\sigma_{Z^0 \to e^+e^-} = 203 \pm 22 (\text{stat}) \pm 22 (\text{syst}) \pm 11 (\text{lumi}) \text{ pb}$.
• Bosons $W^\pm$ : Les sections efficaces différentielles en $p_T$ (dans l'intervalle $30 < p_T < 60 \text{ GeV}/c$) et intégrées sont mesurées séparément pour $W^+$ et $W^-$.
  • $\frac{d\sigma_{e^- \leftarrow W^-}}{dy} = 0,68 \pm 0,04 (\text{stat}) \pm 0,09 (\text{syst}) \pm 0,04 (\text{lumi}) \text{ nb}$.
  • $\frac{d\sigma_{e^+ \leftarrow W^+}}{dy} = 0,72 \pm 0,05 (\text{stat}) \pm 0,09 (\text{syst}) \pm 0,04 (\text{lumi}) \text{ nb}$.
• Comparaison théorique : Toutes les mesures sont en excellent accord avec les prédictions théoriques NLO pQCD (POWHEG + PYTHIA 8) utilisant les ensembles de PDFs modernes. Cela valide la capacité de la QCD perturbative à décrire la production de bosons électrofaibles dans ces conditions.

B. Dépendance à la multiplicité (Résultat Majeur)

L'analyse compare l'évolution des rendements normalisés en fonction de la multiplicité chargée normalisée :

• Production de $W^\pm$ : Le rendement des électrons issus des bosons $W$ augmente de manière approximativement linéaire avec la multiplicité chargée. Cela confirme que la production de ces bosons, étant insensible aux effets de reconnexion de couleur, suit une simple superposition d'interactions partoniques.
• Production de hadrons associés : En revanche, les hadrons produits en association avec les bosons $W$ (mesurés via les corrélations azimutales) montrent une augmentation plus rapide que linéaire (super-linéaire) à haute multiplicité.
• Interprétation :
  • Les calculs PYTHIA 8 incluant la reconnexion de couleur (CR) reproduisent qualitativement ce comportement : la CR affecte la formation des hadrons (augmentant leur production à haute multiplicité) mais pas les bosons $W$ (qui sont colorless).
  • L'étude suggère également un rôle important des autocorrélations. Contrairement aux bosons $W$ isolés, les hadrons associés contribuent à la mesure de la multiplicité de l'événement, ce qui peut amplifier artificiellement la dépendance observée. La comparaison avec la production de $J/\psi$ (qui montre un comportement différent selon la rapidité) soutient cette hypothèse.

5. Signification et Perspectives

Ces résultats sont fondamentaux pour la physique des collisions hadroniques :

1. Validation des sondes de référence : Ils confirment que les bosons électrofaibles sont des sondes robustes et non affectées par les effets de milieu ou de reconnexion de couleur, servant de référence absolue pour étudier les phénomènes collectifs dans les collisions pp.
2. Compréhension de la multiplicité : La divergence entre le comportement linéaire des bosons $W$ et le comportement super-linéaire des hadrons associés fournit une preuve directe que l'augmentation de la production de particules à haute multiplicité dans les collisions pp est pilotée par des mécanismes de reconnexion de couleur et/ou des autocorrélations, plutôt que par une formation de QGP à grande échelle.
3. Contraintes sur les PDFs : Les mesures précises des sections efficaces contribuent à contraindre les fonctions de distribution de partons, en particulier le rapport quark down/up dans le proton.

En conclusion, cette étude démontre la maturité de l'expérience ALICE pour mesurer des processus électrofaibles rares et ouvre la voie à une compréhension plus fine de la dynamique des interactions fortes dans les systèmes de petite taille, en particulier avec les statistiques accrues prévues lors des Runs 3 et 4 du LHC.