Hyperon ($\Lambda$) polarization along the beam axis in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}} = 5.36$ TeV

Résumé technique : Polarisation des hyperons ($\Lambda$) le long de l'axe du faisceau dans les collisions Pb–Pb à $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV

Problématique et motivation
Dans les collisions d'ions lourds relativistes, la formation d'un plasma de quarks et de gluons (QGP) présentant un comportement collectif de type fluide est caractérisée par des champs de vitesse et de vorticité non triviaux. La polarisation globale des hyperons $\Lambda$ a été établie comme une preuve de ce fluide vortical, tandis que les champs de vorticité locale issus du flux anisotrope prédisent une polarisation longitudinale (le long de l'axe du faisceau) avec des modulations azimutales spécifiques. Des mesures antérieures réalisées par les collaborations STAR et ALICE ont révélé une polarisation longitudinale non nulle avec une composante de modulation en sinus positive, un résultat qualitativement opposé aux premiers modèles basés sur la vorticité thermique, mais cohérent avec les développements récents intégrant des effets de cisaillement. Cependant, la sensibilité de la polarisation longitudinale aux propriétés de transport du QGP, particulièrement à la viscosité de volume, devrait être plus prononcée aux énergies du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) qu'aux énergies du Collisionneur de Ions Lourds Relativistes (RHIC). De plus, le couplage de la vorticité avec les harmoniques de flux d'ordre supérieur reste un domaine de recherche ouvert, offrant des contraintes potentielles sur l'évolution spatio-temporelle du milieu.

Méthodologie
Cette analyse utilise un ensemble de données d'environ 5 milliards d'événements de collisions Pb–Pb collectés par le détecteur ALICE durant la période de prise de données Run 3 en 2023 à $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée $L_{int} \simeq 3,2$ nb$^{-1}$. L'analyse se concentre sur la reconstruction des hyperons $\Lambda$ et $\bar{\Lambda}$ via leurs canaux de désintégration faible ($\Lambda \to p\pi^-$ et $\bar{\Lambda} \to \bar{p}\pi^+$).

Les composants expérimentaux clés incluent :

• Détecteurs : Le Fast Interaction Trigger (FIT), spécifiquement le détecteur FT0 pour la détermination de la centralité et du plan d'événement ; le Système de Traçage Interne (ITS) pour la reconstruction du sommet ; et la Chambre à Projection Temporelle (TPC) pour la reconstruction des traces et l'identification des particules via la perte d'énergie spécifique ($dE/dx$).
• Critères de sélection : Les candidats hyperons sont sélectionnés sur la base de variables topologiques (rayon de désintégration transverse, distance de rapprochement le plus court, angle de pointage) et de coupures cinématiques ($p_T > 0,5$ GeV/c pour les protons, $p_T > 0,2$ GeV/c pour les pions, $|y| < 0,5$).
• Extraction de la polarisation : La polarisation le long de la direction du faisceau ($P_z$) est accédée via la corrélation angulaire de violation de la parité entre le spin de l'hyperon et l'impulsion du proton dans le référentiel de l'hyperon. L'analyse mesure la polarisation longitudinale par rapport aux plans d'événement de second et troisième ordre ($\Psi_2$ et $\Psi_3$).
• Technique d'analyse : Le signal est extrait à l'aide d'une analyse de masse invariante combinée à un ajustement simultané de la distribution de polarisation. La polarisation est corrigée pour l'acceptation du détecteur et le paramètre de désintégration $\alpha_H$. La résolution du plan d'événement est évaluée par une méthode à trois sous-événements afin d'atténuer les décorrelations longitudinales.

Contributions clés

1. Première observation au LHC : Ce travail présente la première observation de la polarisation des hyperons le long de la direction du faisceau mesurée par rapport au plan d'événement de troisième ordre au LHC.
2. Mesure de haute précision : L'étude fournit des mesures de la polarisation longitudinale par rapport au plan d'événement de second ordre avec une précision statistique améliorée par rapport aux résultats précédents à $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV, grâce au plus grand échantillon de données Run 3.
3. Contraintes sur la viscosité : L'analyse compare explicitement les données expérimentales avec des calculs hydrodynamiques pour contraindre les viscosités de volume ($\zeta/s$) et de cisaillement du QGP. Elle souligne le rôle critique de la viscosité de volume pour reproduire le signe et l'amplitude de la polarisation observée aux énergies du LHC.

Résultats

• Modulation azimutale : La polarisation mesurée présente des modulations en sinus azimutales claires par rapport aux plans d'événement de second et troisième ordre.
• Magnitude et tendances :
  • Les magnitudes des polarisations de second et troisième ordre sont trouvées comparables, contrastant avec l'ordonnancement typique observé pour les coefficients de flux.
  • La polarisation longitudinale de second ordre augmente de manière monotone avec la centralité (vers les collisions périphériques) et montre une dépendance faible et légère vis-à-vis de l'impulsion transverse ($p_T$), avec une tendance à la saturation à $p_T$ intermédiaire.
  • Les résultats à 5,36 TeV sont cohérents avec les mesures précédentes à 5,02 TeV à deux écarts-types près, bien qu'avec des incertitudes statistiques réduites.
• Comparaison avec les modèles :
  • Les calculs hydrodynamiques incluant la viscosité de volume (implémentée via des paramétrisations phénoménologiques dépendantes de la température et culminant près de la température critique) reproduisent avec succès le signe et la tendance des données expérimentales.
  • Les calculs sans viscosité de volume produisent une polarisation longitudinale de signe opposé aux données expérimentales.
  • Les calculs hydrodynamiques visqueux actuels tendent à surestimer l'augmentation du signal à haut $p_T$, indiquant que la dépendance en $p_T$ n'est pas pleinement reproduite par les modèles existants.

Signification
L'article affirme que la mesure de la polarisation longitudinale, particulièrement par rapport au plan d'événement de troisième ordre, fournit un levier indépendant et complémentaire sur la structure vorticale du QGP. Les résultats démontrent que la polarisation longitudinale est sensible non seulement à la structure de vorticité, mais aussi aux propriétés de transport du milieu, spécifiquement à la viscosité de volume. L'inclusion de la viscosité de volume est identifiée comme essentielle pour expliquer le signe de la polarisation aux énergies du LHC, soulignant le rôle des effets dissipatifs dans le développement de la polarisation de spin locale. En sondant à la fois la géométrie elliptique moyenne (deuxième ordre) et les structures induites par les fluctuations (troisième ordre), ces mesures offrent de nouvelles contraintes sur l'évolution spatio-temporelle et les coefficients de transport du plasma de quarks et de gluons, distinguant ainsi les différentes descriptions dynamiques du mécanisme de polarisation de spin.