Dependence of two-particle azimuthal correlations on the forward rapidity gap width in pPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 8.16 TeV

Cet article étudie la dépendance des corrélations azimutales de deux particules par rapport à la largeur du gap de rapidité vers l'avant dans les collisions pPb à 8,16 TeV afin de déterminer si les signatures de flux collectif persistent dans les événements enrichis en interactions photon-plomb et pomeron-plomb, en comparant les résultats avec des mesures antérieures et des générateurs d'événements modernes.

L'essentiel

La grande danse des particules : une étude des collisions minuscules avec un côté « calme »

Imaginez que vous soyez à un concert massif et chaotique où des milliers de personnes dansent. Habituellement, quand vous regardez la foule, tout le monde bouge de manière aléatoire. Mais en physique des hautes énergies, les scientifiques ont découvert quelque chose de surprenant : parfois, même dans de très petits groupes de particules, celles-ci commencent à danser selon un motif coordonné, semblable à un fluide, comme si elles faisaient partie d'une seule et même goutte de liquide géante. Ce mouvement coordonné est appelé écoulement collectif (collective flow).

Pendant des années, les scientifiques ont observé cette « danse » lors de collisions massives (comme l'écrasement de deux noyaux de plomb lourds). Mais récemment, ils ont commencé à la voir dans des collisions minuscules, comme un proton percutant un atome de plomb. C'était un mystère : comment un système aussi petit peut-il se comporter comme un fluide ?

Cet article de la Collaboration CMS au CERN tente de résoudre une pièce de ce puzzle en examinant un type spécifique de collision proton-plomb où un côté de la pièce est complètement vide.

L'installation : Le proton « silencieux »

Dans une collision normale, le proton et le noyau de plomb s'entrechoquent et des débris s'échappent dans toutes les directions. Mais les chercheurs ont décidé de ne regarder que les collisions « rares » où le proton se comporte de manière très polie.

Ils ont sélectionné des événements où le proton est parti d'un côté, mais où rien n'est sorti du côté du proton dans le détecteur. C'est comme si le proton avait chuchoté au noyau de plomb : « Je ne fais que passer », sans pour autant entrer en collision assez violemment avec lui pour créer un désordre de son côté.

En termes de physique, ils ont recherché un « écart de rapidité frontal » (forward rapidity gap). Imaginez cela comme un large couloir vide dans un bâtiment bondé. Si vous voyez un large espace vide où personne ne marche, vous savez que quelque chose de spécial s'est produit. Dans ces collisions, le noyau de plomb se brise (créant une fête de particules), mais le proton reste intact ou se brise en quelque chose de si petit et léger qu'il échappe à la détection.

Cette configuration crée un échantillon riche en deux types d'interactions spécifiques :

1. Échange de Pomeron : Imaginez le proton envoyant un « messager fantomatique » (appelé pomeron) au noyau de plomb. Le messager frappe le plomb, provoquant sa fragmentation, mais le proton lui-même reste intact.
2. Induit par photon : Le proton agit comme une lampe de poche, projetant un faisceau de lumière (un photon) sur le noyau de plomb, provoquant une réaction sans collision directe.

L'expérience : Mesurer la « crête »

Les scientifiques voulaient savoir : Cette collision « calme » produit-elle toujours la danse coordonnée (l'écoulement collectif) ?

Pour le découvrir, ils ont mesuré la façon dont les particules issues de la fragmentation du noyau de plomb se déplaçaient les unes par rapport aux autres. Ils ont recherché un motif spécifique appelé la « crête » (ridge).

• L'analogie : Imaginez que vous jetiez une poignée de confettis dans les airs. Si le vent est aléatoire, les confettis retombent en un tas désordonné. S'il y a un vent fort et organisé (le « flux »), les confettis retombent en une longue traînée fine.
• En physique des particules, si les particules forment une longue traînée même lorsqu'elles sont éloignées dans l'espace (mais proches en angle), cela suggère qu'elles se déplacent ensemble comme un fluide.

Ils ont fait varier la taille du « couloir vide » (l'écart de rapidité). Ils ont demandé : Si l'espace vide est plus grand (signifiant que le proton était encore plus « doux » et n'a pas beaucoup interagi), est-ce que le motif de la danse change ?

Les résultats : Une danse subtile et peu fluide

Voici ce qu'ils ont trouvé, traduit du langage mathématique complexe vers un français simple :

1. La danse est faible : Dans ces collisions « douces » où le proton reste calme, les preuves d'une danse coordonnée de type « fluide » sont très faibles. Les particules ne semblent pas bouger selon un motif fort et organisé comme dans les collisions massives et désordonnées.
2. L'importance de l'« écart » : À mesure que le couloir vide (l'écart de rapidité) devenait plus large, le signal de cet écoulement coordonné devenait en fait plus faible ou disparaissait.
3. Comparaison avec les modèles : Ils ont comparé leurs résultats à des simulations informatiques.
   • Un modèle (EPOS-LHC) suppose que les particules agissent comme un fluide. Il prédisait une danse plus forte que ce qu'ils ont observé.
   • Un autre modèle (PYTHIA) suppose que les particules rebondissent simplement les unes sur les autres comme des billes de billard (sans fluide). Ce modèle était plus proche des données, bien que non parfait.

La conclusion générale

L'article conclut que lorsque l'on isole les collisions où le proton interagit à peine (créant un large écart vide), l'« écoulement collectif » ou le comportement de type fluide disparaît largement.

Pourquoi est-ce important ?
Cela aide les scientifiques à trancher entre deux théories concurrentes sur le fonctionnement de ces systèmes minuscules :

• Théorie A : Les particules forment une minuscule goutte de liquide (Plasma de quarks et de gluons) qui s'écoule.
• Théorie B : Les motifs observés sont simplement le résultat des conditions initiales (la façon dont les particules étaient disposées avant l'impact) et ne nécessitent pas d'état fluide.

En montissant que la « danse » disparaît lorsque la collision est très « exclusive » (calme d'un côté), cet article suggère que le comportement de type fluide observé dans d'autres petites collisions dépend fortement de la manière spécifique dont les particules interagissent. Cela impose une contrainte aux modèles qui affirment que ce comportement fluide est universel, quel que soit le mode de collision.

En résumé : Si vous voulez voir la « danse fluide » dans ces collisions minuscules, il vous faut un peu plus de chaos. Quand le proton reste trop poli et que la collision est trop calme, la danse s'arrête.

Résumé technique

Résumé technique : Dépendance des corrélations azimutales de deux particules de la largeur du gap de rapidité vers l'avant dans les collisions pPb à $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV

Énoncé du problème
Les collisions de noyaux lourds relativistes sont caractérisées par un flux collectif, décrit par les coefficients de Fourier ($v_n$) des distributions angulaires azimutales, souvent attribués à la formation d'un plasma de quarks et de gluons (QGP). Cependant, des coefficients de Fourier non nuls similaires ont été observés dans les petits systèmes, incluant les collisions proton-proton (pp), proton-plomb (pPb) et photon-proton ($\gamma$p). L'origine microscopique de ces corrélations dans les petits systèmes fait l'objet de débats, avec des explications concurrentes impliquant une expansion hydrodynamique (réponse de l'état final collective) versus des corrélations de l'état initial (par exemple, la saturation des gluons). Pour distinguer ces scénarios, il est nécessaire d'étudier des systèmes où les interactions multiparticulaires et la reconnexion de couleur sont supprimées. Cet article répond à la nécessité de caractériser les corrélations azimutales dans les collisions pPb enrichies en topologies semi-exclusives, spécifiquement celles médiées par un échange de singulet de couleur (pomeron) ou des processus induits par des photons, en faisant varier la largeur du gap de rapidité vers l'avant ($\Delta\eta_F$).

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions pPb enregistrées par l'expérience CMS à l'LHC avec une luminosité intégrée de 174,5 nb$^{-1}$ à $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV. L'étude se concentre sur les événements sélectionnés pour enrichir les topologies semi-exclusives où le proton reste intact ou se dissocie en un état de faible masse, tandis que le noyau de plomb se brise.

• Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés sur la base de la présence d'un « gap de rapidité vers l'avant », défini comme une région dans la direction du proton (commençant à $\eta = 3$) sans particules détectées. La largeur du gap, $\Delta\eta_F$, est variée de 0,5 à des valeurs supérieures à 2,5. La sélection exige une activité dans le calorimètre frontal de Hadley (HF) du côté du plomb et aucune activité au-dessus de seuils spécifiques du côté du proton.
• Composition de l'échantillon : L'échantillon sélectionné contient un mélange d'interactions de diffraction simple (IPpPb), de photon-plomb ($\gamma$Pb) et de non-diffractives. Pour $\Delta\eta_F > 2,5$, l'échantillon est « enrichi en diffraction », les simulations de Monte Carlo (MC) (EPOS-LHC) suggérant une composante diffractive dominante (43,5 %) et une faible contribution non-diffractive (5 %).
• Mesure de corrélation : Les corrélations azimutales de deux particules sont mesurées pour les particules chargées dans $|\eta| < 2,4$ et $0,3 < p_T < 3$ GeV. L'analyse emploie une technique d'événements mixtes pour construire la distribution de fond, corrigeant les inefficacités de détection (tracking).
• Décomposition de Fourier : Les corrélations à longue portée ($|\Delta\eta| > 2$) sont extraites pour supprimer les effets de fragmentation de jets à courte portée. Les distributions $\Delta\phi$ résultantes sont ajustées avec une série de Fourier pour extraire les coefficients $V_{n\Delta}$ (spécifiquement $V_{1\Delta}$ et $V_{2\Delta}$). Le coefficient de flux elliptique $v_2$ est dérivé de $\sqrt{V_{2\Delta}}$.
• Comparaisons : Les résultats sont comparés aux données pPb inclusives, aux données $\gamma$p et aux prédictions de générateurs d'événements : PYTHIA 8.3.10 (basé sur le modèle ANGANTYR, dépourvu d'effets collectifs) et EPOS-LHC (qui inclut des effets collectifs).

Principales contributions

• Première mesure de la dépendance en $\Delta\eta_F$ : Ce travail présente la première recherche de corrélations azimutales à longue portée en fonction de la largeur du gap de rapidité vers l'avant dans les collisions pPb.
• Analyse de l'échantillon enrichi en diffraction : L'article fournit des mesures détaillées pour un échantillon enrichi en événements diffractifs et $\gamma$Pb, offrant une vue complémentaire aux mesures inclusives des petits systèmes.
• Contraintes systématiques : L'analyse fournit des contraintes sur les modèles en comparant les données avec des générateurs possédant ou non un flux collectif, spécifiquement dans un régime où les corrélations de l'état initial pourraient dominer si le flux collectif est absent.

Résultats

• Tendances de $V_{1\Delta}$ et $V_{2\Delta}$ : Les coefficients $V_{1\Delta}$ mesurés sont négatifs et diminuent (deviennent plus négatifs) à mesure que $\Delta\eta_F$ augmente. Les valeurs centrales de $V_{2\Delta}$ augmentent de manière monotone avec $\Delta\eta_F$, bien qu'elles restent cohérentes avec zéro dans l'incertitude dans deux bacs (bins).
• Dépendance en multiplicité : Pour l'échantillon enrichi en diffraction ($\Delta\eta_F > 2,5$), les mesures sont présentées en fonction de la multiplicité de particules chargées ($N_{ch}$). Les valeurs de $V_{1\Delta}$ mesurées sont systématiquement inférieures aux résultats pPb inclusifs, mais sont qualitativement en accord avec les données $\gamma$p. Les valeurs de $V_{2\Delta}$ sont en accord avec les résultats p et $\gamma$p dans des plages de multiplicité similaires.
• Comparaisons de modèles :
  • PYTHIA 8.3.10 : Les prédictions pour $V_{1\Delta}$ sont généralement plus élevées que les données. Pour $V_{2\Delta}$, les prédictions sont cohérentes avec les données dans la plupart des bacs, mais surestiment les résultats dans le bac de plus faible $\Delta\eta_F$.
  • EPOS-LHC : Les prédictions pour $V_{1\Delta}$ sont cohérentes avec les données, sauf dans certains bacs $\Delta\eta_F$ où elles sont plus élevées. Pour $V_{2\Delta}$, le modèle est cohérent avec les données bac par bac, sauf pour le plus faible $\Delta\eta_F$ où il surestime les données.
• Flux elliptique ($v_2$) : Pour les bacs $\Delta\eta_F$ $[0,5, 1)$, $[1, 1,5)$ et $[2, 2,5)$, des valeurs non nulles de $v_2$ sont mesurées (par exemple, $0,0617 \pm 0,0099$ pour $0,5 \le \Delta\eta_F < 1,0$). Dans d'autres bacs, les données sont cohérentes avec zéro, et des limites supérieures au niveau de confiance de 95 % CL sont dérivées. Ces limites sont stables à travers $\Delta\eta_F$ et les bacs de multiplicité, atteignant jusqu'à 0,13 pour le bac le plus inclusif. Ces limites sont comparables à celles observées dans les interactions $\gamma$p.

Signification
L'article affirme que ces résultats contraignent les scénarios où les corrélations de type « ridge » sont censées persister universellement à travers les petits systèmes, quel que soit la topologie de l'événement. En démontrant que la force de corrélation varie avec la largeur du gap de rapidité vers l'avant — un proxy pour le degré d'exclusivité et la suppression des interactions multiparticulaires — l'étude fournit une référence pour les modèles prédisant une réponse collective réduite lorsque de telles interactions sont supprimées. Les résultats soutiennent l'investigation de savoir si la collectivité observée dans les petits systèmes est un phénomène hydrodynamique universel ou si elle dépend de conditions spécifiques de l'état initial. L'article ne prétend pas résoudre définitivement l'origine de la collectivité, mais fournit plutôt les données nécessaires pour tester les modèles théoriques (tels que les approches basées sur Ingelman-Schlein) dans un régime complémentaire aux mesures inclusives.