Multiplicity dependence of prompt and non-prompt J/$\psi$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Cette étude mesure les rendements de production de J/$\psi$ prompt et non-prompt en fonction de la multiplicité des particules chargées dans les collisions pp à 13 TeV, révélant une augmentation plus forte que linéaire des rendements normalisés, particulièrement marquée dans la région azimutale orientée vers l'émission du J/$\psi$.

L'essentiel

🎢 Le Grand Tourbillon : Quand les particules se rencontrent

Imaginez que vous êtes dans un immense stade de football (le LHC au CERN). Au lieu de joueurs, ce sont des protons (des tout petits grains de matière) qui foncent l'un vers l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Parfois, ils entrent en collision avec une force incroyable.

Cette collision crée une explosion de particules, un peu comme un feu d'artifice microscopique. Les physiciens de l'expérience ALICE regardent ce spectacle pour comprendre comment la matière est née juste après le Big Bang.

🎯 Le but du jeu : Chasser le "J/ψ"

Dans cette explosion, les physiciens cherchent une particule très spécifique appelée J/ψ (prononcé "J-psi"). C'est une sorte de "boule de feu" faite de deux quarks (des briques fondamentales de la matière) qui tournent l'un autour de l'autre.

Mais il y a un piège : cette boule de feu peut arriver de deux façons différentes, et c'est là que l'histoire devient intéressante :

1. Le "Prompt" (Immédiat) : C'est comme si la boule de feu apparaissait directement dans l'explosion principale. Elle est née de la collision elle-même.
2. Le "Non-prompt" (Retardé) : C'est comme si la boule de feu était un enfant né d'un parent qui a survécu un peu plus longtemps. Ici, la J/ψ est en réalité le "petit-enfant" d'une particule plus lourde (contenant un quark "beauté") qui a voyagé un tout petit peu avant de se désintégrer.

📊 La question de la recherche : Plus il y a de monde, plus ça s'agite ?

Les scientifiques se sont demandé : Si on augmente le nombre de particules produites lors de la collision (la "multiplicité"), est-ce que le nombre de ces boules de feu (J/ψ) augmente proportionnellement ?

Imaginez une fête :

• Si vous avez 10 invités, vous avez 1 gâteau.
• Si vous avez 100 invités, avez-vous 10 gâteaux ? Ou peut-être 15, parce que l'ambiance est si électrique que tout le monde en veut plus ?

Les résultats montrent que plus il y a de particules, plus il y a de J/ψ, et ce, de façon "explosive". Ce n'est pas une augmentation simple (linéaire), c'est une augmentation plus forte que le simple. Plus la collision est "encombrée" (beaucoup de particules), plus la production de ces boules de feu s'emballe.

🧭 Le jeu des trois zones : Vers, À côté, et En face

Pour comprendre pourquoi cela arrive, les physiciens ont divisé la fête en trois zones par rapport à la direction où la J/ψ est partie :

1. La zone "Vers" (Toward) : C'est la direction exacte où la J/ψ est partie. C'est comme regarder le jet d'eau d'un arrosoir.
2. La zone "Transverse" (Transverse) : C'est l'angle de 90 degrés, sur le côté. C'est comme regarder ce qui se passe sur le bord de la piscine, loin du jet.
3. La zone "En face" (Away) : C'est la direction opposée. C'est comme regarder ce qui arrive derrière l'arrosoir.

La découverte clé :

• Dans la zone "Vers", l'augmentation du nombre de J/ψ est énorme. C'est logique : la J/ψ et les autres particules sont nées ensemble, elles sont "copines" de la même collision.
• Dans les zones "Transverse" et "En face", l'augmentation est beaucoup plus faible, mais elle existe tout de même !

Cela suggère que même loin de la trajectoire de la particule, l'agitation de la collision (le "bruit de fond") influence la production de ces particules lourdes. C'est comme si, lors d'une grande fête bruyante, même ceux qui sont loin de la musique sentent les vibrations du sol.

🤖 Les théories et les simulations

Les chercheurs ont comparé leurs observations avec des ordinateurs très puissants qui simulent la physique (comme PYTHIA et EPOS).

• Certains modèles (comme le "tune Monash") sous-estiment l'explosion : ils pensaient que l'augmentation serait plus modérée.
• D'autres modèles, qui incluent des effets complexes comme des "jets" de particules ou des fluides qui se comportent comme de l'eau chaude, arrivent mieux à prédire la réalité, mais pas toujours parfaitement.

Cela signifie que notre compréhension de la façon dont la matière se comporte dans ces conditions extrêmes est encore en cours de perfectionnement.

🏁 En résumé

Cette étude nous dit que dans le monde des particules, tout est connecté.

1. Quand une collision est très "dense" (beaucoup de particules), la production de particules lourdes (J/ψ) explose de façon disproportionnée.
2. Cette connexion est très forte dans la direction de la particule, mais elle se fait aussi sentir sur les côtés.
3. Cela nous aide à comprendre comment la matière se comporte dans les environnements les plus denses de l'univers, un peu comme si on essayait de comprendre la météo en regardant comment les gouttes de pluie réagissent à un orage.

C'est une preuve que même dans les collisions les plus petites (entre deux protons), il peut y avoir des phénomènes collectifs complexes, similaires à ceux que l'on observe dans les collisions géantes entre des noyaux d'atomes lourds.

Résumé technique

1. Problématique et Contexte

Cette étude vise à comprendre les mécanismes de production des quarkonia (notamment le méson $J/\psi$) dans les collisions proton-proton (pp) à haute énergie, en particulier leur dépendance vis-à-vis de la multiplicité des particules chargées produites.

• Distinction Prompt/Non-Prompt : Le $J/\psi$ peut être produit directement lors de la collision dure (« prompt ») ou provenir de la désintégration faible de hadrons contenant un quark beauté (« non-prompt »). Comprendre la différence de comportement entre ces deux sources est crucial pour tester les modèles de hadronisation et les effets de milieu dense.
• Le paradoxe de la multiplicité : Des mesures précédentes ont montré que les rendements de quarkonia augmentent de manière « plus que linéaire » avec la multiplicité chargée. L'origine de ce phénomène est débattue : s'agit-il d'effets de milieu dense (similaires au plasma de quarks et gluons, QGP), d'interactions partoniques multiples (MPI), ou d'effets d'autocorrélation (le $J/\psi$ et ses produits de désintégration contribuant à la mesure de la multiplicité) ?
• Objectif spécifique : Analyser cette dépendance en séparant les contributions promptes et non-promptes, et en étudiant la multiplicité dans différentes régions azimutales par rapport à l'émission du $J/\psi$ (vers l'avant, transverse, et opposée) pour isoler les effets du « underlying event » (événement sous-jacent) des effets de corrélation directe.

2. Méthodologie et Analyse Expérimentale

Données et Détection :

• Collisionneur : LHC, Run 2, collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Détecteur : ALICE. Reconstruction du $J/\psi$ via le canal de désintégration en paire d'électrons ($e^+e^-$) dans le barrel central ($|y| < 0.9$).
• Échantillons de données : Trois déclencheurs (triggers) utilisés pour couvrir une large gamme de multiplicités :
  • Minimum Bias (MB) : ~30 nb$^{-1}$.
  • Transition Radiation Detector (TRD) : ~8.8 pb$^{-1}$ (sélection $p_T$ élevé).
  • High Multiplicity (HM) : ~1.8 pb$^{-1}$ (top 0.1% des événements les plus denses).
• Estimateur de multiplicité : Nombre de traces globales ($N_{trks}$) reconstruites avec l'ITS et le TPC dans $|\eta| < 0.9$ et $p_T > 0.15$ GeV/c.

Procédure d'Analyse :

1. Sélection et Séparation :
   • Les candidats $J/\psi$ sont identifiés par un ajustement de masse invariante.
   • Une séparation statistique entre les composantes promptes et non-promptes est effectuée à l'aide d'un Boosted Decision Tree (BDT). Les variables d'entrée incluent la distance de plus proche approche (DCA) et la longueur de désintégration pseudo-propre ($x$), exploitant le fait que les hadrons B (source des $J/\psi$ non-promptes) ont une vie moyenne plus longue.
2. Normalisation :
   • Les rendements et la multiplicité sont normalisés par leur valeur moyenne dans les événements inélastiques contenant au moins une particule chargée (classe INEL>0). Cela permet de comparer les tendances sans dépendre de la luminosité absolue.
3. Décomposition Azimutale :
   • La multiplicité est divisée en trois régions par rapport à l'azimut du $J/\psi$ ($\phi_{J/\psi}$) :
     • Toward (Vers) : $|\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| < \pi/3$.
     • Transverse : $\pi/3 < |\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| < 2\pi/3$.
     • Away (Opposé) : $|\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| > 2\pi/3$.
   • Cela permet de distinguer les particules associées au processus de production du $J/\psi$ (région Toward) de l'activité de l'événement sous-jacent (régions Transverse/Away).
4. Corrections :
   • Correction des efficacités de détection, de reconstruction et de déclenchement.
   • Méthode de « dépliage » (unfolding) itérative bayésienne pour corriger les effets de résolution et de migration de bins entre la multiplicité mesurée ($N_{trks}$) et la multiplicité vraie ($N_{ch}$).
   • Correction spécifique pour l'autocorrélation : les produits de désintégration du $J/\psi$ sont comptés avec une probabilité égale à l'efficacité moyenne pour éviter un biais artificiel dans la multiplicité.

3. Résultats Clés

Dépendance à la multiplicité globale :

• Augmentation plus que linéaire : Les rendements auto-normalisés (à la fois prompt et non-prompt) augmentent de manière plus que linéaire avec la multiplicité auto-normalisée. Cette tendance est similaire pour les deux composantes, suggérant que les mécanismes sous-jacents affectent les deux sources de manière comparable.
• Fraction non-prompte ($f_B$) : La fraction de $J/\psi$ provenant de hadrons B montre une légère augmentation avec la multiplicité (significativité de ~2.9$\sigma$ par rapport à une tendance plate), indiquant que la production de beauté est favorisée dans les événements à haute multiplicité.

Dépendance aux régions azimutales :

• Région Toward : L'augmentation des rendements est la plus forte dans la région azimutale vers le $J/\psi$. Cela est attribué aux autocorrélations : les particules produites dans le même processus (jets, rayonnement) ou les produits de désintégration du $J/\psi$ contribuent à la multiplicité mesurée dans cette région.
• Régions Transverse et Away : L'augmentation est plus faible, voire proche de la linéarité, dans ces régions. Cela suggère que l'activité de l'événement sous-jacent (soft MPI) croît moins vite que la production de $J/\psi$ associée.
• Dépendance en $p_T$ : La pente de l'augmentation avec la multiplicité s'accroît avec le $p_T$ du $J/\psi$, particulièrement dans la région Toward. Cela indique que les événements à haute multiplicité et haut $p_T$ sont dominés par des processus durs associés (jets plus durs).

Comparaison avec les modèles théoriques :

• PYTHIA 8 :
  • Le réglage Monash sous-estime les rendements prompts à haute multiplicité.
  • L'activation du processus oniaShower (production de quarkonia dans les showers de partons) reproduit bien les données pour les $J/\psi$ prompts.
  • Pour les $J/\psi$ non-promptes, le réglage Monash reproduit bien la tendance.
• EPOS4 :
  • Surestime les rendements prompts à haute multiplicité (surtout avec l'évolution hydrodynamique activée).
  • Sous-estime systématiquement les rendements non-promptes à haute multiplicité.
• Modèles CGC (Color Glass Condensate) :
  • Les calculs basés sur la fusion de 3-Pomerons ou le modèle ICEM (Improved Color Evaporation Model) décrivent partiellement les données, mais ne parviennent pas à reproduire l'ensemble des dépendances en $p_T$ et en région azimutale.

Ratio $J/\psi$ / $D^0$ :

• Le rapport entre les rendements de $J/\psi$ prompts et de $D^0$ prompts ne montre pas de modification significative avec la multiplicité dans les collisions pp, contrairement à ce qui est observé dans les collisions Pb-Pb centrales (où la régénération domine). Cela suggère que les effets de milieu dense de type QGP ne sont pas le moteur principal de l'augmentation observée en pp.

4. Contributions et Signification

• Séparation Prompt/Non-Prompt : C'est l'une des premières mesures détaillées séparant explicitement les deux composantes du $J/\psi$ en fonction de la multiplicité dans les collisions pp, confirmant que les deux suivent des tendances similaires mais avec des nuances dans la fraction non-prompte.
• Rôle des Autocorrélations : L'analyse azimutale démontre clairement que les autocorrélations (particules associées au $J/\psi$) jouent un rôle majeur dans l'observation d'une augmentation « plus que linéaire ». Cependant, même dans les régions transverses (moins sensibles aux autocorrélations), une augmentation subsiste, indiquant un effet réel de la multiplicité sur la production de quarkonia.
• Contrainte sur les Modèles : Les résultats excluent certains réglages de modèles (comme PYTHIA Monash pour les prompts) et soulignent la nécessité d'inclure des mécanismes complexes comme la production dans les showers de partons (oniaShower) ou des effets de saturation (CGC) pour décrire correctement la physique à haute multiplicité.
• Absence de QGP en pp : L'absence de modification du ratio $J/\psi/D^0$ en pp, contrairement aux collisions Pb-Pb, renforce l'idée que l'augmentation de la production de quarkonia en pp à haute multiplicité n'est pas due à une régénération dans un milieu thermique dense, mais plutôt à des effets de multiplicité liés aux interactions partoniques multiples et aux corrélations de production.

En conclusion, cette étude fournit des contraintes expérimentales précises pour comprendre la transition entre la production de particules dures et l'activité de l'événement sous-jacent, et met en lumière la complexité de la hadronisation des quarks lourds dans des environnements à haute densité de particules.