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Evidence for sequential $\Upsilon$ (nS) suppression in light ion collisions

Cet article présente les premières mesures de la production de $\Upsilon$ (1S), $\Upsilon$ (2S) et $\Upsilon$ (3S) dans les collisions oxygène-oxygène et néon-néon à $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5,36 TeV, révélant un motif de suppression séquentielle significatif où les états excités sont plus fortement supprimés que l'état fondamental, fournissant ainsi une preuve de la formation d'un plasma de quarks et de gluons dans les collisions d'ions légers.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-07-16

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

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La soupe cosmique et les glaçons qui fondent

Imaginez l'univers juste une fraction de seconde après le Big Bang. Ce n'était pas l'espace froid et vide que nous voyons aujourd'hui ; c'était une soupe bouillonnante et hyperchaude composée des blocs fondamentaux de la matière : les quarks et les gluons. Les scientifiques appellent cet état de la matière le plasma quarks-gluons (PQG). Dans notre monde quotidien, les quarks sont étroitement collés pour former des particules comme les protons et les neutrons, mais dans cette soupe primordiale, ils sont libres de circuler. Pour comprendre comment cette soupe se comporte, les physiciens ont besoin d'un moyen d'en « goûter » la saveur sans manger tout le bol. Ils utilisent des sondes spéciales appelées quarkonia.

Considérez les quarkonia comme des « glaçons » robustes faits d'un quark lourd et de son partenaire antiquark. Tout comme les glaçons ordinaires, ils existent en différentes tailles et résistances. Certains sont étroitement liés et solides (les « états fondamentaux »), tandis que d'autres sont faiblement maintenus et vacillants (les « états excités »). Si vous jetez un glaçon vacillant dans une boisson chaude, il fond instantanément. Un glaçon solide pourrait survivre un moment. En observant quels glaçons fondent et lesquels survivent lorsqu'ils sont jetés dans la soupe cosmique, les scientifiques peuvent déterminer à quel point cette soupe est chaude et dense. Ce document traite du fait de jeter ces « glaçons » spécifiques dans une nouvelle version plus petite de la soupe pour voir s'ils fondent de la même manière que dans les versions géantes et lourdes.

L'expérience : Jeter des glaçons dans une casserole plus petite

Pendant des années, les scientifiques du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) ont fracassé des noyaux géants de plomb ou d'or pour créer de massives et durables gouttelettes de ce plasma quarks-gluons. Ils ont découvert un schéma clair : les « glaçons » excités et vacillants (appelés $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ ) fondaient presque complètement, tandis que les états fondamentaux robustes ( $\Upsilon(1S)$ ) survivaient. C'est ce qu'on appelle la suppression séquentielle. C'est comme une vague de chaleur assez forte pour faire fondre la glace faible, mais pas la glace forte.

Mais une grande question demeurait : ce processus de fusion se produit-il uniquement dans les collisions géantes et lourdes, ou se produit-il même dans les collisions plus petites et plus légères ? Pour le découvrir, la Collaboration CMS (une équipe massive de scientifiques) a décidé de mener une nouvelle expérience. Au lieu de fracasser des atomes de plomb lourds, ils ont fracassé des atomes d'oxygène ensemble (Oxygène-Oxygène ou OO) et des atomes de néon ensemble (Néon-Néon ou NeNe). Ces derniers sont beaucoup plus légers et créent une « soupe » beaucoup plus petite et plus courte que les collisions de plomb. Ils ont fait cela en 2025 à une énergie de 5,36 TeV par paire de nucléons.

Pour s'assurer de savoir à quoi ressemblait la situation « normale », ils ont également comparé leurs résultats aux collisions de protons isolés (proton-proton ou pp) à la même énergie exacte. Si les « glaçons » se comportaient normalement, le ratio de glace fondue par rapport à la glace survivante dans les collisions d'ions légers devrait ressembler à celui des collisions de protons. Si la « soupe » était assez chaude pour les faire fondre, les ratios changeraient.

Les résultats : Même la petite soupe fait fondre la glace

Les résultats étaient clairs et passionnants. Lorsque les scientifiques ont examiné les collisions oxygène-oxygène et néon-néon, ils ont constaté que les glaçons vacillants fondaient bel et bien.

Le ratio $\Upsilon(2S)$ vs $\Upsilon(1S)$ : Dans les collisions d'oxygène, le ratio de l'état excité par rapport à l'état fondamental était de 0,664 (ce qui signifie que l'état excité était significativement supprimé par rapport à la référence). Dans les collisions néon-néon, ce ratio est descendu encore plus bas, à 0,27. Ces deux chiffres sont bien inférieurs à ce qui est observé dans les collisions proton-proton, et la différence est si importante qu'elle est statistiquement significative à plus de cinq écarts-types. Dans le monde de la science, c'est un « oui » très sonore.
Le ratio $\Upsilon(3S)$ vs $\Upsilon(1S)$ : Le glaçon le plus fragile, l' $\Upsilon(3S)$ , a montré une chute encore plus importante. Dans les collisions d'oxygène, le ratio était de 0,392. Il s'agit d'une réduction massive par rapport à la ligne de base des protons.
La « preuve irréfutable » : La découverte la plus cruciale fut la comparaison directe de l' $\Upsilon(3S)$ avec l' $\Upsilon(2S)$ . Le document rapporte que la suppression de l' $\Upsilon(3S)$ par rapport à l' $\Upsilon(2S)$ dépasse les trois écarts-types. C'est la première fois que les scientifiques observent ce motif spécifique de « suppression séquentielle » (où le plus faible fond en premier, puis le suivant) dans les collisions d'ions légers.

Les données montrent que même dans ces collisions minuscules et de courte durée d'oxygène et de néon, un milieu chaud et dense est formé, capable de faire fondre les quarkonia faiblement liés. L'effet s'accentue à mesure que le système devient plus grand (passant du néon à l'oxygène, puis au plomb), mais il est clairement présent, même dans les systèmes les plus petits.

Ce que cela signifie (et ce que cela ne signifie pas)

Cette découverte est importante car elle remet en question l'idée qu'il faut une collision massive et durable pour créer une « soupe » assez chaude pour faire fondre ces particules. Les résultats suggèrent que l'effet de « fusion » (interactions de l'état final) peut émerger dans des systèmes beaucoup plus petits et plus courts que ce que l'on pensait auparavant.

Le document a également comparé leurs conclusions à un modèle théorique appelé SHINCHON. Le modèle tentait de prédire ce qui se passerait, mais il a considérablement sous-estimé la quantité de fusion que les scientifiques ont réellement observée. Cela signifie que nos théories actuelles pourraient manquer une certaine « chaleur » supplémentaire ou un autre effet dynamique qui rend la soupe encore plus efficace pour briser ces particules que ce que nous pensions.

En résumé, l'équipe CMS a fourni une preuve solide que la « suppression séquentielle » de ces particules lourdes est une caractéristique universelle de ces collisions à haute énergie, apparaissant même dans les systèmes les plus petits et les plus légers. La « soupe » est plus petite, mais elle est toujours assez chaude pour faire fondre la glace.

Résumé technique : Évidence de la suppression séquentielle des $\Upsilon(nS)$ dans les collisions d'ions légers

Énoncé du problème
Les quarkonia, états liés de paires quark-antiquark lourds, servent de sondes sensibles pour la température et l'évolution spatio-temporelle du plasma de quarks et de gluons (QGP). Dans les collisions d'ions lourds (par exemple, PbPb, AuAu), un motif caractéristique de « suppression séquentielle » a été observé : les états excités faiblement liés (comme $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ ) sont plus fortement supprimés que l'état fondamental étroitement lié ( $\Upsilon(1S)$ ) en raison de l'écrantage de couleur et de la dissociation dans le QGP. Cependant, distinguer ces effets de l'état final du QGP des effets de la matière nucléaire froide (CNM) et des interactions de l'état initial reste un défi, particulièrement dans les systèmes de collisions plus petits comme le proton-plomb (pPb). Bien que la suppression séquentielle ait été établie dans les grands systèmes, il n'est pas clair si les mêmes mécanismes opèrent dans les systèmes plus petits et symétriques d'ions légers, où la durée de vie et l'aire transversale du milieu sont considérablement réduites. Cet article traite de la nécessité d'étudier des systèmes de tailles variées avec des conditions initiales différentes pour déterminer si la suppression séquentielle persiste dans les collisions d'ions légers, testant ainsi l'universalité de la formation et des propriétés du QGP à travers les tailles de systèmes.

Méthodologie
L'étude utilise les données collectées par le détecteur CMS au LHC en 2025, se concentrant sur les collisions oxygène-oxygène (OO) et néon-néon (NeNe) à une énergie de centre de masse nucléon-nucléon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,36$ TeV. Ces mesures sont comparées à un ensemble de données de référence proton-proton (pp) collecté à la même énergie en 2024.

Échantillons de données : L'analyse utilise des luminosités intégrées de $8,4 \pm 0,3$ nb $^{-1}$ pour OO, $0,81 \pm 0,03$ nb $^{-1}$ pour NeNe, et $456 \pm 14$ pb $^{-1}$ pour la référence pp.
Sélection d'événements : Les états $\Upsilon$ sont reconstruits via leur désintégration prompt en deux muons de charges opposées. Les événements sont sélectionnés en exigeant au moins un (pour AA) ou deux (pour pp) muons dans un même passage de paquet (bunch crossing), un sommet primaire reconstruit, et des critères de trajectoire à « haute pureté » pour supprimer les fonds de gaz de faisceau. Les muons doivent avoir un $p_T > 4$ GeV et $|\eta| < 2,4$ .
Extraction du rendement : Les spectres de masse invariante des paires de muons sont ajustés dans la plage 8–14 GeV à l'aide d'ajustements de maximum de vraisemblance non binaires étendus. Le modèle de signal comprend trois pics (pour $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ , et $\Upsilon(3S)$ ), chacun décrit par une somme de deux fonctions Crystal Ball pour tenir compte de la résolution dépendante de $\eta$ . La position des pics et les résolutions de masse pour les états excités sont contraintes par rapport à l' $\Upsilon(1S)$ en utilisant les rapports de masse de la littérature mondiale. Une composante de fond est modélisée par une fonction erreur multipliée par une exponentielle.
Quantification : La suppression est quantifiée à l'aide de doubles rapports ( $D_{nm}$ ) des rendements d'états excités par rapport à l'état de référence dans les collisions AA par rapport aux collisions pp :
$D_{nm} = \frac{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{AA}}{(N_{\Upsilon(nS)} / N_{\Upsilon(mS)})_{pp}}$
où $(n, m)$ correspondent à $(2, 1)$ , $(3, 1)$ , et $(3, 2)$ . Cette construction annule les incertitudes expérimentales communes et les effets nucléaires de l'état initial qui modifient tous les états $\Upsilon(nS)$ de manière similaire.
Incertitudes systématiques : Les incertitudes sont évaluées en faisant varier les procédures d'analyse, incluant des paramétrisations alternatives de signal et de fond, des variations de pondération MC $p_T$ , et des corrections tag-and-probe.
Comparaison théorique : Les résultats sont comparés aux prédictions du cadre SHINCHON, qui combine l'hydrodynamique événement par événement avec des calculs de dissociation de bottomonium basés sur la gluo-dissociation et la diffusion de partons inélastiques.

Contributions clés et résultats
Ce travail présente les premières mesures des états $\Upsilon(1S)$ , $\Upsilon(2S)$ , et $\Upsilon(3S)$ dans les collisions OO, et des états $\Upsilon(1S)$ et $\Upsilon(2S)$ dans les collisions NeNe.

Évidence de la suppression séquentielle :
- Dans les collisions OO, les doubles rapports sont mesurés comme étant $D_{21} = 0,664 \pm 0,055 \text{ (stat)} \pm 0,007 \text{ (syst)}$ , $D_{31} = 0,392 \pm 0,077 \text{ (stat)} \pm 0,023 \text{ (syst)}$ , et $D_{32} = 0,59 \pm 0,12 \text{ (stat)} \pm 0,04 \text{ (syst)}$ .
- Dans les collisions NeNe, $D_{21} = 0,27 \pm 0,12 \text{ (stat)} \pm 0,01 \text{ (syst)}$ .
- Tous les doubles rapports sont significativement inférieurs à l'unité. La suppression de $\Upsilon(2S)$ et $\Upsilon(3S)$ par rapport à $\Upsilon(1S)$ dépasse cinq écarts-types dans les collisions OO.
- Crucialement, la suppression relative de $\Upsilon(3S)$ par rapport à $\Upsilon(2S)$ ( $D_{32}$ ) dans les collisions OO est inférieure à l'unité par 3,2 écarts-types. Cela constitue la première évidence de la suppression séquentielle des $\Upsilon(nS)$ dans les collisions d'ions légers.
Dépendance de la taille du système : Les résultats étendent la hiérarchie observée de la suppression des états excités à des systèmes ayant un nombre moyen de nucléons participants ( $\langle N_{part} \rangle$ ) d'environ 10. Le motif de suppression dans les collisions OO et NeNe montre une évolution claire avec la taille du système, cohérente avec les tendances observées dans les collisions pPb et PbPb.
Dépendance cinématique : Les mesures en fonction de la multiplicité de particules chargées ( $N_{corr}^{trk}$ ) et de l'impulsion transverse ( $p_T$ ) ne montrent aucune dépendance significative de $p_T$ dans les limites d'incertitude. La tendance de l'augmentation de la suppression avec l'activité de l'événement s'étend de pp à PbPb, bien que l'article note que l'activité de l'événement seule ne détermine pas entièrement l'amplitude de la suppression.
Comparaison théorique : Les prédictions du cadre SHINCHON sous-estiment significativement la suppression mesurée, particulièrement dans les mesures différentielles en $p_T$ . Cela suggère que les modèles actuels pourraient nécessiter une dynamique de milieu supplémentaire ou des effets de dissociation plus forts pour décrire les données.

Signification
L'article affirme que ces résultats fournissent une preuve que la suppression séquentielle des mésons $\Upsilon$ , une caractéristique de la formation du QGP, n'est pas exclusive aux grands systèmes d'ions lours mais émerge également dans les collisions d'ions légers (OO et NeNe). L'observation que la suppression dépendante de l'état persiste dans des systèmes ayant des durées de vie et des aires transversales plus petites que PbPb implique que les effets de l'état final, tels que la déconfinement, peuvent se manifester dans ces systèmes plus petits. La compatibilité de l'amplitude et de la dépendance en $p_T$ du rapport $\Upsilon(3S)/\Upsilon(2S)$ entre OO et PbPb soutient une interprétation commune de la suppression séquentielle à travers différents systèmes de collision. Ces découvertes renforcent la vision selon laquelle la suppression des quarkonia ne nécessite pas strictement de grands volumes de matière et fournissent de nouvelles contraintes pour les modèles théoriques visant à décrire la production de bottomonium de pp à l'ion lourd. L'article conclut modestement que, bien que les données soutiennent une interprétation commune, la tension avec les modèles théoriques indique un besoin de plus de raffinements dans la compréhension des mécanismes de production sous-jacents et de la dynamique du milieu.

La soupe cosmique et les glaçons qui fondent

L'expérience : Jeter des glaçons dans une casserole plus petite

Les résultats : Même la petite soupe fait fondre la glace

Ce que cela signifie (et ce que cela ne signifie pas)

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