⚛️ nuclear experiments

Study of $\chi_{\mathrm{c}}$ production in pPb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}$ = 8.16 TeV

Cet article présente une étude de la production de $\chi_{\mathrm{c1}}$ et $\chi_{\mathrm{c2}}$ prompt dans les collisions pPb à $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}$ = 8,16 TeV utilisant les données de CMS, trouvant que leur rapport de production est indépendant de la multiplicité des événements et des variables cinématiques, et ne montre aucune modification relative forte par rapport aux collisions proton-proton, contrairement au comportement observé pour les états $\psi$ (2S).

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-07-21

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

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La danse cosmique des particules minuscules

Imaginez l'univers comme une piste de danse géante et chaotique où les plus petits blocs de construction de la matière s'entrechoquent constamment. Parfois, ces particules s'entrechoquent si violemment qu'elles créent de nouvelles formes exotiques de matière qui n'existent que pendant un instant fugace avant de disparaître. C'est le monde de la physique des hautes énergies, un domaine dédié au fracas de particules à des vitesses proches de celle de la lumière pour voir ce qui se passe. L'un des « danseurs » les plus intéressants dans cette arène est le quarkonium, un minuscule atome lourd composé d'un quark de charme et de son antiparticule. Voyez cela comme un système solaire microscopique où deux planètes lourdes orbitent l'une autour de l'autre si étroitement qu'elles forment une unité unique et compacte.

Les scientifiques s'intéressent particulièrement à la manière dont ces minuscules atomes se comportent lorsque la piste de danse devient bondée. Dans le monde réel, nous savons que si l'on presse un ballon, il change de forme. Dans le monde subatomique, lorsque les particules entrent en collision à l'intérieur d'un environnement dense (comme le cœur d'un noyau lourd), ces atomes de quarkonium pourraient être écrasés, brisés ou ralentis par la « foule » environnante d'autres particules. C'est ce qu'on appelle l'« effet de milieu nucléaire ». En étudiant comment ces atomes changent lorsqu'ils traversent un noyau lourd (comme le plomb) par rapport à lorsqu'ils traversent l'espace vide (comme lors d'une collision impliquant uniquement des protons), les physiciens espèrent comprendre les règles de cet environnement dense. Cela est crucial car cela nous aide à comprendre ce qui s'est passé dans les tout premiers instants de l'univers, juste après le Big Bang, quand tout était incroyablement chaud et dense.

L'histoire du papier : Un conte de deux cousins

Dans ce document, la collaboration CMS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a décidé de jouer au détective avec une paire spécifique de ces minuscules atomes : le $\chi_{c1}$ et le $\chi_{c2}$ . Vous pouvez considérer ces deux-là comme des cousins dans la famille des quarkonium. Ils sont tous deux des états « P-wave », ce qui est une façon sophistiquée de dire qu'ils ont un type spécifique de spin et d'orbite qui les rend légèrement plus grands et moins étroitement liés que le membre le plus célèbre de la famille, le $J/\psi$ . Parce qu'ils sont cousins, ils ont des tailles et des formes très similaires, mais ils ont des masses et des structures internes légèrement différentes.

La grande question à laquelle les scientifiques voulaient répondre était : Si nous fracassons des protons contre des noyaux de plomb, est-ce que ces deux cousins sont traités différemment ?

Pour le découvrir, l'équipe a utilisé les données de 175 nanobarns de collisions (une infime quantité de données, mais suffisante pour observer ces événements rares) collectées en 2016. Ils ont recherché ces particules en observant leur désintégration. Les particules $\chi_{c}$ sont instables et se brisent rapidement en une particule $J/\psi$ et un photon (une particule de lumière). Le $J/\psi$ se brise ensuite en deux muons (électrons lourds), et le photon se convertit en une paire électron-positron. En suivant ces produits de désintégration spécifiques, les scientifiques ont pu compter combien de particules $\chi_{c1}$ et $\chi_{c2}$ ont été produites.

Ce qu'ils ont trouvé :
Les chercheurs ont mesuré le rapport de fréquence de production du $\chi_{c2}$ par rapport au $\chi_{c1}$ . Ils ont vérifié ce rapport sous trois conditions différentes :

Taille de la foule : Le rapport changeait-il si la collision produisait beaucoup d'autres particules (haute multiplicité) ou seulement quelques-unes ?
Vitesse : Le rapport changeait-il en fonction de la vitesse à laquelle les particules se déplaçaient (impulsion transverse) ?
Direction : Le rapport changeait-il selon la direction vers laquelle les particules s'envolaient (rapidité) ?

La réponse fut étonnamment simple : Aucun changement. Le rapport entre le $\chi_{c2}$ et le $\chi_{c1}$ est resté constant, peu importe si la collision était bondée, quelle était la vitesse des particules ou quelle était leur direction.

Pourquoi cela importe :
Ce résultat est un peu un revirement par rapport à ce que les scientifiques observent avec d'autres particules. Par exemple, lorsqu'ils regardent le $J/\psi$ et son cousin excité, le $\psi(2S)$ , ils voient que le $\psi(2S)$ est supprimé (brisé) beaucoup plus facilement dans les collisions denses. C'est parce que le $\psi(2S)$ est plus grand et plus lâche, ce qui facilite pour la « foule » de le briser.

Cependant, le $\chi_{c1}$ et le $\chi_{c2}$ sont si similaires en taille (environ 0,39 femtomètre de large chacun) que le milieu nucléaire les traite exactement de la même manière. L'environnement dense créé lors des collisions proton-plomb est assez puissant pour faire la distinction entre un atome petit et serré et un atome grand et lâche, mais il n'est pas assez sensible pour distinguer ces deux cousins très similaires.

À quel point en sont-ils sûrs ?
Les scientifiques sont assez confiants dans cette découverte, bien qu'ils notent que leurs mesures comportent une certaine incertitude (environ 16–17 %), principalement due à la difficulté de détecter les photons impliqués. Malgré cette marge d'erreur, les données montrent systématiquement une ligne plate. Le rapport ne fluctue pas et ne se déplace pas. Cela suggère que, dans les limites de leurs outils actuels, l'environnement proton-plomb ne différencie pas ces deux états P-wave spécifiques. C'est comme si la « foule » sur la piste de danse était trop occupée pour remarquer la légère différence dans les pas de danse de ces deux cousins spécifiques, même si elle peut facilement repérer la différence entre un danseur solo et un groupe important.

En bref, ce document nous indique que si le milieu nucléaire est une force puissante capable de briser des atomes plus grands et plus lâches, il laisse la production relative de ces deux états de charmonium P-wave de taille similaire totalement intacte.

Résumé technique : Étude de la production de $\chi_c$ dans les collisions pPb à $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV

Problématique et motivation
La production de quarkonia dans les collisions proton-noyau (pA) constitue une sonde critique pour comprendre l'interaction entre les effets initiaux de la matière nucléaire froide et les interactions finales. Alors que les effets initiaux, tels que les modifications de la cinématique des partons, devraient impacter tous les états de quarkonium de manière similaire, les mécanismes de l'état final comme la perte d'énergie cohérente et la dissociation par des particules comobiles peuvent induire des modifications dépendant de l'état. Des études antérieures ont établi que les états S excités, tels que le $\psi(2S)$ , présentent des comportements de suppression significativement différents de leurs états fondamentaux ( $J/\psi$ ) dans les collisions pA, une tendance souvent attribuée à la taille spatiale plus grande et à l'énergie de liaison plus faible des états excités. Cependant, le comportement des états de charmonium P, spécifiquement le $\chi_{c1}(1P)$ et le $\chi_{c2}(1P)$ , reste moins exploré. Ces états possèdent des énergies de liaison et des rayons intermédiaires entre le $J/\psi$ et le $\psi(2S)$ , offrant un terrain de test unique pour déterminer si les mécanismes de dissociation sont principalement pilotés par la taille géométrique ou par des détails plus fins tels que la configuration de spin et les séparations d'énergie de structure fine.

Méthodologie
Cette analyse utilise les données collectées par l'expérience CMS lors de collisions proton-plomb (pPb) à une énergie par paire de nucléons de $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de $175 \text{ nb}^{-1}$ . L'étude se concentre sur la production prompt des mésons $\chi_{c1}$ et $\chi_{c2}$ via la chaîne de désintégration radiative $\chi_c \to J/\psi \gamma$ , suivie de $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ . Le photon est reconstruit via sa conversion en une paire électron-positron ( $e^+e^-$ ) au sein du détecteur, une méthode choisie pour sa résolution de moment supérieure pour les photons de faible impulsion par rapport à la calorimétrie électromagnétique.

L'analyse emploie un système de déclenchement à deux niveaux, sélectionnant les événements avec deux candidats muons au niveau matériel. La reconstruction hors ligne utilise l'algorithme de "particle-flow" pour identifier les muons, les électrons et les photons. L'extraction du signal est réalisée par un ajustement de la distribution de masse invariante des candidats $\chi_c$ . Le modèle de signal consiste en deux fonctions Crystal Ball à double face (DCB) représentant les pics $\chi_{c1}$ et $\chi_{c2}$ , superposées à une fonction de seuil décrivant le fond combinatoire. Le rapport des sections efficaces de production multipliées par les rapports de branchement, $R = [\sigma(\chi_{c2})\mathcal{B}(\chi_{c2} \to J/\psi \gamma)] / [\sigma(\chi_{c1})\mathcal{B}(\chi_{c1} \to J/\psi \gamma)]$ , est mesuré en fonction de la multiplicité de particules chargées de l'événement ( $N_{\text{tracks}}$ ), de l'impulsion transverse du $J/\psi$ ( $p_T$ ) et de la rapidité ( $y$ ).

Les incertitudes systématiques sont évaluées par diverses méthodes, incluant l'ajustement avec contrainte Gaussienne, des sélections alternatives de conversion de photons et des vérifications d'efficacité basées sur les données via les désintégrations $\pi^0 \to \gamma\gamma$ . L'analyse tient compte des effets de polarisation potentiels en supposant des configurations d'hélicité spécifiques ( $J_z=0$ pour les deux états) basées sur des mesures $pp$ antérieures, en notant que le rapport est sensible aux hypothèses de polarisation. Les contributions non-prompt de $J/\psi$ issues des désintégrations de hadrons $b$ sont supprimées en utilisant des critères de longueur de désintégration propre.

Résultats clés
Le rapport $\chi_{c2}$ sur $\chi_{c1}$ mesuré est trouvé cohérent avec une valeur constante sur l'ensemble de la plage cinématique étudiée :

Dépendance à la multiplicité : Le rapport ne montre aucune dépendance significative vis-à-vis de la multiplicité de particules chargées de l'événement ( $N_{\text{tracks}}$ ). Un ajustement constant donne $C = 0,23 \pm 0,03$ .
Dépendance cinématique : Le rapport reste stable en fonction de l'impulsion transverse du $J/\psi$ ( $6,5 < p_T < 30$ GeV) et de la rapidité ( $|y| < 2,4$ ).
Comparaison avec les lignes de base : Les résultats sont cohérents avec les mesures existantes de proton-proton ($pp $) à$ \sqrt{s} = 7$ TeV d'ATLAS et CMS, ainsi qu'avec les mesures de LHCb dans la région vers l'avant. Le rapport observé est d'environ $0,22\text{--}0,23$ , avec des incertitudes systématiques totales allant de 16 % à 17 %, dominées par l'efficacité de conversion des photons et la contamination non-prompt.

Signification et affirmations
L'article conclut que la production relative des états $\chi_{c1}$ et $\chi_{c2}$ reste non modifiée dans les collisions pPb dans les limites des incertitudes expérimentales actuelles. Ce résultat contraste avec le secteur des ondes S, où une forte suppression dépendante de la multiplicité du $\psi(2S)$ par rapport au $J/\psi$ a été observée.

Les auteurs interprètent cette stabilité comme une preuve que les mécanismes de dissociation ou de modification de l'état final dans le milieu pPb ne différencient pas les états $\chi_{c1}$ et $\chi_{c2}$ . Étant donné que ces deux états P partagent des rayons presque identiques ( $\sim 0,39$ fm) malgré leur séparation de masse ( $\Delta M \approx 45$ MeV), les résultats suggèrent que les effets du milieu sont principalement pilotés par la taille géométrique macroscopique de l'état de quarkonium plutôt que par sa configuration de spin spécifique ou sa séparation d'énergie de structure fine. Par conséquent, le milieu pPb semble capable de résoudre les disparités de taille importantes entre les états d'ondes S (menant à une suppression séquentielle) mais manque de sensibilité pour distinguer les différences internes subtiles entre les états $\chi_c$ de l'onde P. Cela fournit une ligne de base pour l'interprétation des modifications de quarkonium dans les collisions noyau-noyau, indiquant que pour les états de taille spatiale comparable, la modification nucléaire relative est absente.

La danse cosmique des particules minuscules

L'histoire du papier : Un conte de deux cousins

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