Associated $Z$ + $J/\psi$ production as a probe of multiparton interactions in the forward region

En utilisant les données de l'LHCb issues de collisions proton-proton à 13 TeV, cette étude démontre que la production associée $Z$ + $J/\psi$ dans la région vers l'avant est dominée par les interactions multipartites, produisant une section efficace effective de $16,6 \pm 4,7$ mb qui fournit de nouvelles contraintes sur la structure spatiale transversale du proton à de faibles valeurs de Bjorken-$x$.

L'essentiel

Imaginez le proton, cette minuscule particule au cœur de chaque atome, non pas comme une bille solide, mais comme une ville tridimensionnelle en pleine effervescence. À l'intérieur de cette ville vivent des « partons » (quarks et gluons), qui sont comme des citoyens. Nous en savons beaucoup sur la façon dont ces citoyens se déplacent vers l'avant ou vers l'arrière (leur impulsion), mais nous en savons très peu sur la façon dont ils sont répartis sur la largeur de la ville (leur distribution spatiale transversale).

Ce document de l'expérience LHCb du CERN est comme l'envoi d'une caméra ultra-rapide dans cette ville pour prendre un instantané de la façon dont ces citoyens interagissent lorsque deux villes-protons s'entrechoquent à une vitesse proche de celle de la lumière.

Voici l'histoire de ce qu'ils ont découvert, expliquée simplement :

Le grand crash et la théorie du « double rendez-vous »

Lorsque deux protons s'entrechoquent au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), on s'attend généralement à ce qu'ils interagissent une seule fois. Voyez cela comme deux personnes se bousculant dans un couloir bondé et se serrant la main. C'est ce qu'on appelle la Diffusion à Partons Unique (SPS - Single-Parton Scattering).

Cependant, les scientifiques cherchaient quelque chose de plus rare : un « double rendez-vous ». Il s'agit de l'endroit où, lors d'un seul crash, deux paires distinctes de citoyens interagissent indépendamment au même moment. C'est ce qu'on appelle la Diffusion à Partons Doubles (DPS - Double-Parton Scattering). C'est comme si deux personnes se bousculaient, se serraient la main, et qu'au même instant précis, leurs deux amis se tenant juste à côté d'elles se bousculaient aussi pour se serrer la main.

L'expérience : Capturer un duo rare

Pour trouver des preuves de ce « double rendez-vous », l'équipe de l'LHCb a recherché une combinaison très spécifique et rare de particules produites lors du crash :

1. Un boson Z (une particule lourde qui agit comme un messager de la force faible).
2. Un méson J/ψ (une particule composée d'un quark de charme et d'un anti-quark de charme).

Ils ont recherché ces particules dans la « région vers l'avant » (forward region), ce qui revient à regarder la périphérie de la ville plutôt que son centre. C'est un endroit spécial où les « citoyens » (partons) se déplacent très lentement par rapport à la vitesse du proton, une région que les scientifiques appellent « petit-x ».

La surprise : Ce n'est pas juste un simple choc

L'équipe a collecté des données de 2016 à 2018 (environ 5,1 « femtobarns inverses », ce qui représente une quantité énorme de collisions). Ils ont trouvé 56 exemples clairs de la création de cette paire Z + J/ψ.

Lorsqu'ils ont comparé ces résultats à la théorie de la « Diffusion à Partons Unique » (l'idée qu'il ne s'agissait que d'une seule grande interaction), la théorie prédisait qu'ils ne devraient voir que 0,1 événement. Au lieu de cela, ils en ont vu 5,5.

L'analogie : Imaginez que vous essayiez de deviner combien de fois deux personnes se serreront la main dans une foule. Vos calculs disent que cela devrait arriver une fois par an. Mais vous entrez et voyez que cela se produit cinq fois en une heure. Vous réalisez que vos calculs oubliaient quelque chose : les gens se serrent la main par paires simultanément, et non pas simplement en un seul grand groupe d'interaction.

Les données ont montré que le « double rendez-vous » (DPS) est le mode dominant de production dans cette région spécifique. L'interaction unique (SPS) est trop faible pour expliquer ce qu'ils ont observé.

Mesurer la « configuration de la ville »

En étudiant la fréquence à laquelle ces doubles interactions se produisent, les scientifiques ont pu calculer un nombre appelé $\sigma_{eff}$ (sigma-eff).

Voyez le $\sigma_{eff}$ comme une mesure de la façon dont les citoyens sont « encombrés » ou « dispersés » dans la ville du proton.

• Si les citoyens sont étroitement regroupés au centre, les doubles interactions se produisent souvent, et le nombre est petit.
• S'ils sont dispersés, le nombre est plus grand.

L'équipe de l'LHCb a calculé ce nombre à 16,6 mb (millibarns). Ce nombre aide les physiciens à comprendre la taille physique et la forme de l'intérieur du proton.

Pourquoi est-ce important ?

Il s'agit d'une découverte unique car elle combine deux éléments qui n'avaient jamais été étudiés ensemble auparavant :

1. Haute énergie : Le boson Z est très lourd, ce qui fournit une échelle « dure » (comme une caméra haute résolution).
2. Région vers l'avant : Ils ont regardé à la périphérie de la collision, là où vivent les partons à « petit-x ».

Les études précédentes regardaient soit le centre (où les quarks dominent), soit la périphérie avec une énergie plus faible (où les gluons dominent). Cette étude comble le fossé, montrant que même dans cet environnement de haute énergie à la périphérie de la ville, la règle de la « double interaction » reste vraie.

L'essentiel à retenir

Le document conclut que, dans la région vers l'avant des collisions de protons, le processus de création d'un boson Z et d'un méson J/ψ est presque entièrement piloté par deux interactions indépendantes se produisant simultanément, plutôt que par une seule grande interaction.

Cela offre aux scientifiques un nouveau moyen direct de cartographier la structure 3D du proton, confirmant que la « section efficace effective » (la mesure du chevauchement des partons) semble être sensiblement la même, que l'on regarde le centre du proton ou sa périphérie, et que l'on utilise une énergie haute ou basse. C'est une nouvelle pièce du puzzle pour comprendre l'architecture fondamentale de la matière.

Résumé technique

Résumé Technique : La production associée $Z + J/\psi$ comme sonde des interactions multipartoniques dans la région vers l'avant

Problème et Motivation
La structure tridimensionnelle du proton, plus précisément la distribution spatiale transversale de ses constituants partoniques, demeure un sujet central de la chromodynamique quantique (QCD). Bien que les fonctions de distribution de partons (PDF) contraignent le moment longitudinal, les données expérimentales sur les distributions transverses, incluant les distributions dépendantes du moment transverse (TMD), sont limitées. La diffusion à double parton (DPS), où deux interactions dures indépendantes se produisent lors d'une seule collision proton-proton, offre une sensibilité à cette structure transverse. La section efficace effective, $\sigma_{\text{eff}}$, dérivée des mesures de DPS, encode le recouvrement transverse des partons.

Les mesures existantes de $\sigma_{\text{eff}}$ sont largement cohérentes mais sondent principalement des mécanismes dominés par les quarks aux rapidités centrales. Les études théoriques suggèrent que $\sigma_{\text{eff}}$ peut dépendre des sous-processus partoniques sous-jacents (quarks de valence versus gluons) et de l'échelle dure ($Q^2$). Il est nécessaire de mener des études complémentaires dans des régimes cinématiques riches en gluons, caractérisés par un petit Bjorken-$x$ et des échelles dures élevées. La production associée d'un boson $Z$ et d'un méson $J/\psi$ prompt dans la région vers l'avant offre un laboratoire unique pour cela : elle combine l'échelle dure électrofaible de la masse du $Z$ ($Q^2 \sim m_Z^2$) avec la couverture de rapidité vers l'avant du détecteur LHCb, sondant une région à $x \sim 10^{-4}$ jusqu'alors non contrainte expérimentalement. Dans ce régime, la diffusion à parton unique (SPS) est censée être supprimée en raison de la configuration de partons asymétrique requise, ce qui renforce la sensibilité aux interactions multipartoniques.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb à $\sqrt{s} = 13$ TeV durant la période 2016–2018, correspondant à une luminosité intégrée de $5,1 \text{ fb}^{-1}$.

• Sélection d'Événements : Les candidats sont reconstruits dans l'état final contenant deux paires de muons de charges opposées, correspondant à $Z \to \mu^+\mu^-$ et $J/\psi \text{ prompt} \to \mu^+\mu^-$. La sélection est confinée à l'acceptation vers l'avant de LHCb ($2 < \eta < 5$).
  • Région Fiduciale : Définie par $60 < m_{\mu^+\mu^-} < 120 \text{ GeV}/c^2$ et $p_T > 20 \text{ GeV}/c$ pour les muons issus de la désintégration du $Z$ ($2 < \eta < 4,5$) ; et $0 < p_T^{J/\psi} < 14 \text{ GeV}/c$ et $2 < y^{J/\psi} < 4,5$ pour le $J/\psi$ prompt.
  • Vertexing : Un ajustement cinématique contraignant les candidats $Z$ et $J/\psi$ à un vertex de production commun est appliqué pour rejeter les fonds de pileup (où les candidats proviennent de collisions différentes dans le même croisement de bunches) et les $J/\psi$ non-prompts issus de désintégrations de hadrons $b$.
• Extraction du Signal : Les rendements de signal sont extraits via un ajustement simultané des distributions de masse invariante des candidats $Z$ et $J/\psi$. Les formes de signal sont modélisées par des fonctions Crystal Ball à deux côtés calibrées avec des échantillons de contrôle, tandis que les fonds combinatoires sont décrits par des fonctions exponentielles lisses. La technique sPlot est utilisée pour soustraire le fond et assigner des poids par candidat.
• Détermination de la Section Efficace : La section efficace fiduciale est calculée à partir du rendement de signal corrigé par l'efficacité, la luminosité intégrée et les fractions de branchement. L'efficacité totale est factorisée en composantes d'acceptation, de reconstruction/sélection, d'identification des particules (PID) et de déclenchement (trigger), déterminées par simulation et corrigées avec des échantillons de contrôle.
• Comparaison Théorique : La contribution SPS est évaluée à l'aide du package HELAC-Onia (incluant les canaux de singulet de couleur et d'octet de couleur). La contribution DPS est estimée dans le cadre factorisé standard en utilisant les sections efficaces de $Z$ seul et de $J/\psi$ seul comme entrées.

Résultats Clés

• Section Efficace Fiduciale : La section efficace fiduciale mesurée pour la production associée $Z + J/\psi$ est :
  $$\sigma_{Z+J/\psi} = 5,5 \pm 1,5 \text{ (stat)} \pm 0,4 \text{ (syst)} \pm 0,1 \text{ (lumi)} \text{ pb}$$
• SPS vs. DPS : La valeur mesurée excède significativement la prédiction théorique SPS dans la même région fiduciale, laquelle est calculée à $\sigma_{Z+J/\psi}^{\text{SPS}} = 0,10 \pm 0,08 \text{ pb}$. Cette divergence indique que la SPS seule ne peut décrire le processus dans cet espace de phase et que les interactions multipartoniques dominent.
• Section Efficace Effective ($\sigma_{\text{eff}}$) : L'interprétation de l'excès comme une contribution DPS dans le cadre factorisé standard produit :
  $$\sigma_{\text{eff}} = 16,6 \pm 4,4 \text{ (stat)} \pm 1,5 \text{ (syst)} \text{ mb}$$
  L'incertitude systématique inclut les contributions de la section efficace mesurée, des entrées de section efficace de particule unique et de la soustraction SPS.
• Distributions Différentielles : Des sections efficaces différentielles en fonction de $y_{J/\psi}$ et $y_Z$ sont présentées. Les données sont compatibles avec les prédictions SPS+DPS pour des valeurs de $\sigma_{\text{eff}}$ comprises entre 10 et 20 mb. Aucune corrélation cinématique supplémentaire forte, au-delà de celles capturées par le cadre DPS factorisé, n'est observée.

Signification et Revendications
L'article affirme que cette mesure constitue la première contrainte expérimentale sur les interactions multipartoniques dans un régime cinématique caractérisé simultanément par un petit Bjorken-$x$ ($x \sim 10^{-4}$) et une échelle dure électrofaible élevée ($Q^2 \sim m_Z^2$).

La valeur de $\sigma_{\text{eff}}$ extraite est cohérente avec les mesures issues d'expériences en rapidité centrale (bosons électrofaibles et processus de jets à haute multiplicité) et de rapidité vers l'avant (production de paires de quarkonium), malgré des régimes cinématiques et des compositions partoniques radicalement différents. Cette observation fournit une preuve expérimentale que l'échelle transverse effective régissant les interactions multipartoniques reste approximativement universelle à travers une large gamme de valeurs de $x$, d'échelles dures et d'états initiaux partoniques. Le résultat étend les contraintes existantes vers le régime petit-$x$, haute-$Q^2$, offrant un nouveau point de référence pour la modélisation du DPS et la contrainte de la structure spatiale transverse du proton.