Observation of centrality-dependent dijet transverse momentum imbalance in O+O and Ne+Ne collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.36 TeV with the ATLAS detector

Résumé technique : Observation du déséquilibre du moment transverse des dijets dépendant de la centralité dans les collisions O+O et Ne+Ne

Problème et motivation
Un objectif principal du programme d'ions lourds au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) est de caractériser le plasma de quarks et de gluons (QGP), un état déconfiné de la matière fortement interagissante. Les jets à haute impulsion transverse ($p_T$) servent de sondes puissantes de ce milieu, subissant un « étouffement de jet » (jet quenching) — une réduction de l'énergie du jet et une redistribution de l'énergie vers de grands angles — lorsqu'ils traversent le QGP. Bien que des preuves de perte d'énergie dépendante de la longueur du trajet aient été établies dans les collisions plomb-plomb (Pb+Pb) non centrales, l'interprétation de tels effets dans les systèmes plus petits reste complexe. Dans les collisions proton-noyau, des preuves non ambiguës d'étouffement de jet sont restées évasives, et dans les collisions périphériques Pb+Pb, les fluctuations des configurations initiales des nucléons compliquent la détermination des longueurs de trajet effectives.

Les collisions d'ions légers, spécifiquement Oxygène-Oxygène (O+O) et Néon-Néon (Ne+Ne), offrent un nouveau régime pour étudier ces phénomènes. Ces systèmes possèdent une étendue transverse sensiblement plus petite que les collisions Pb+Pb, ce qui se traduit par des longueurs de trajet en milieu plus courtes (environ deux fois plus petites). De plus, les collisions d'ions légers centrales offrent une géométrie de recouvrement plus symétrique par rapport aux interactions périphériques Pb+Pb, réduisant potentiellement les incertitudes géométriques associées à l'interprétation des effets dépendants de la longueur du trajet. Des mesures récentes ont indiqué un comportement collectif dans les collisions O+O et Ne+Ne, suggérant la formation d'un QGP, pourtant les sondes dures (telles que les jets) n'ont pas encore démontré de manière définitive d'effets induits par le milieu dans ces petits systèmes. Un défi clé dans les petits systèmes est le « biais de centralité », où les corrélations entre la production de processus durs et l'événement sous-jacent « mou » utilisé pour définir la centralité peuvent fausser les mesures basées sur les rendements absolus.

Méthodologie
La Collaboration ATLAS a analysé des données collectées en 2025 à une énergie de collision nucléon-nucléon dans le centre de masse de $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV. L'ensemble de données comprend :

• $8,0 \text{ nb}^{-1}$ de collisions O+O.
• $1,0 \text{ nb}^{-1}$ de collisions Ne+Ne.
• $386 \text{ pb}^{-1}$ de collisions proton-proton ($pp$) à la même énergie, servant de référence.

Sélection d'événements et centralité :
Les événements ont été sélectionnés à l'aide de déclencheurs de biais minimal (minimum-bias) et de jets. Les intervalles de centralité (0–10 %, 10–20 %, 20–40 %, 40–60 % et 60–80 %) ont été définis sur la base de l'énergie transverse totale ($\Sigma E_T^{FCal}$) mesurée dans les calorimètres frontaux ATLAS (FCal), cartographiée sur la section efficace inélastique à l'aide d'un modèle de Glauber de Monte Carlo. Les événements de pile-up ont été rigoureusement supprimés en exigeant un sommet reconstruit unique de haute qualité et en utilisant les corrélations entre l'énergie du calorimètre à zéro degré (ZDC) et $\Sigma E_T^{FCal}$.

Reconstruction des jets et observable :
Les jets ont été reconstruits à l'aide de l'algorithme anti-$k_t$ avec un paramètre de rayon $R=0,4$ dans $|y| < 2,1$. L'analyse s'est concentrée sur les paires de dijets où les jets menants ($p_{T1}$) et sous-menants ($p_{T2}$) sont presque dos à dos en azimut ($\Delta\phi > 7\pi/8$). L'observable principale est le déséquilibre du moment transverse des dijets, $x_J$ :
$$x_J = \frac{p_{T2}}{p_{T1}}$$
où $0,32 < x_J < 1$ et $63 < p_{T1} < 251$ GeV.

Techniques d'analyse :
Pour atténuer le biais de centralité et la dépendance aux taux absolus, l'analyse a utilisé des distributions « auto-normalisées », définies comme $\frac{1}{N_{pair}} \frac{dN_{pair}}{dx_J}$. Cette approche normalise la distribution à une aire unité, la rendant moins sensible aux biais de sélection et aux incertitudes sur les fonctions de distribution de partons nucléaires (nPDF).

• Soustraction du fond : Une procédure de soustraction du fond événement par événement a estimé la densité d'énergie transverse de l'événement sous-jacent ($\rho$). Les paires de jets non corrélées ont été estimées à l'aide d'une méthode de bande latérale (sideband) en $\Delta\phi$ et soustraites.
• Dépliage (Unfolding) : Les effets du détecteur, incluant l'échelle d'énergie des jets (JES), la résolution d'énergie des jets (JER) et les inefficacités de reconstruction, ont été corrigés à l'aide d'une procédure de dépliage bayésien itératif. Un dépliage bidimensionnel a été effectué pour tenir compte de la migration de bacs et de l'interversion de l'ordre des jets menants/sous-menants.
• Systématiques : Les incertitudes ont été évaluées pour la JES, la JER, la soustraction du fond combinatoire et le priori de dépliage. L'incertitude systématique totale est restée généralement inférieure à 10–15 % pour la plupart des bacs de $x_J$.

Résultats clés
Les distributions de $x_J$ auto-normalisées mesurées dans les collisions O+O et Ne+Ne présentent une dépendance claire à la centralité lorsqu'elles sont comparées à la référence $pp$ :

1. Tendance de centralité : À mesure que les collisions deviennent plus centrales (augmentation de l'activité de l'événement), les distributions de $x_J$ montrent des écarts de plus en plus importants par rapport à la ligne de base $pp$. Plus précisément, on observe une augmentation de la contribution relative des dijets avec des valeurs de $x_J$ plus faibles (indiquant un plus grand déséquilibre d'énergie).
2. Signification statistique : L'écart par rapport à l'hypothèse nulle (pas de modification, soit un ratio = 1) a été quantifié à l'aide d'un test $\chi^2$.
   • Dans les collisions O+O, des modifications significatives ($>5\sigma$) ont été observées dans les intervalles de centralité 0–10 % et 10–20 %, persistant jusqu'à l'intervalle 20–40 %. La signification a atteint $10,2\sigma$ dans le bac de centralité 0–10 % pour $79 < p_{T1} \le 89$ GeV.
   • Dans les collisions Ne+Ne, des modifications significatives ont été observées dans les intervalles de centralité 0–10 % et 10–20 %, avec une signification de $8,9\sigma$ dans le bac 0–10 % pour la même plage de $p_{T1}$.
   • Les modifications n'étaient pas statistiquement significatives dans les collisions plus périphériques (40–60 % et 60–80 %) pour les deux systèmes.
3. Dépendance à l'énergie : La modification reste significative dans les collisions O+O (Ne+Ne) jusqu'à un $p_{T1}$ du jet menant d'environ 141 GeV (126 GeV) dans les collisions les plus centrales.
4. Comparaison théorique :
   • Les modifications observées sont incompatibles avec les prédictions basées uniquement sur les nPDF (effets d'isospin et de nPDF, utilisant les ensembles EPPS21 et CT18), qui prédisent des écarts de moins de 4 % par rapport à l'unité.
   • Les comparaisons avec les modèles Hybrid et Jewel+Trajectum montrent que, bien que les deux prédisent une modification dans les collisions O+O centrales, le modèle Hybrid sous-estime généralement l'ampleur de l'effet, tandis que Jewel+Trajectum le surestime. L'inclusion des diffusions de Molière dans le modèle Hybrid n'a produit que des changements mineurs.
5. Comparaison de la taille du système : Lorsqu'elles sont comparées aux collisions périphiques Pb+Pb (centralité 60–80 %) appariées par activité d'événement, les modifications de $x_J$ dans les collisions centrales d'O+O et de Ne+Ne sont jugées comparables.

Signification et affirmations
L'article affirme que ces résultats constituent une observation du déséquilibre du moment transverse des dijets dépendant de la centralité dans les collisions O+O et Ne+Ne. Les conclusions démontrent que la perte d'énergie partonnique induite par le milieu persiste dans des systèmes de collision considérablement plus petits que Pb+Pb et Xe+Xe.

La portée de ce travail réside dans :

• Établissement d'un nouveau régime : Il étend l'étude de l'étouffement de jet aux gouttelettes de plasma de quarks et de gluons les plus petites accessibles au LHC.
• Dépendance de la longueur du trajet : Les résultats fournissent de nouvelles contraintes sur l'apparition et la dépendance de la longueur du trajet de l'étouffement de jet, en utilisant un système à géométrie plus symétrique pour réduire les incertitudes géométriques.
• Robustesse : En utilisant des distributions auto-normalisées, la mesure contraint explicitement les effets de biais de centralité et les biais de sélection de l'activité de l'événement qui compliquent les interprétations dans les petits systèmes.

Les auteurs concluent que les modifications observées sont qualitativement similaires à celles des collisions noyau-noyau mais surviennent dans un régime où les effets de configuration initiale sont mieux contrôlés, renforçant ainsi l'argument en faveur de la formation d'un milieu de type QGP dans les collisions d'ions légers.