Measurement of forward jet suppression in Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$$ TeV with the ATLAS detector

Résumé technique : Mesure de la suppression des jets vers l'avant dans les collisions Pb+Pb à $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV

Problématique et motivation
La formation d'un plasma de quarks et de gluons (QGP) dans les collisions d'ions ultra-relativistes permet l'étude de la perte d'énergie des partons, connue sous le nom de trempe de jet (jet quenching). Bien que la suppression des jets inclusifs ait été mesurée de manière approfondie à la rapidité intermédiaire ($|y| \lesssim 2,8$), la région de rapidité vers l'avant reste largement inexplorée dans les collisions d'ions lourds. Les considérations théoriques suggèrent que la région vers l'avant offre un environnement cinématique distinct : la fraction de jets initiés par des quarks devrait augmenter avec la rapidité, tandis que les spectres initiaux des partons deviennent plus raides. L'expansion longitudinale du QGP peut également entraîner des densités de milieu effectives et des dépendances de la longueur de trajet différentes par rapport à la rapidité intermédiaire. Les mesures précédentes à rapidité intermédiaire ont montré que la suppression des jets dépend de la saveur initiale du parton (quark vs gluon) et de la raideur du spectre. Cependant, distinguer ces facteurs nécessite des mesures dans des régions cinématiques présentant des compositions de saveurs différentes. Cet article répond au manque de données sur la suppression des jets inclusifs dans la région de rapidité vers l'avant afin de fournir de nouvelles contraintes sur la dépendance à la saveur, à la géométrie et à la densité du milieu de la perte d'énergie des partons.

Méthodologie
L'analyse utilise les données collectées par le détecteur ATLAS au LHC lors du Run 2. Le jeu de données comprend les collisions Pb+Pb enregistrées en 2018 avec une luminosité intégrée de 1,72 nb$^{-1}$, et les collisions $pp$ de 2017 avec 255 pb$^{-1}$, toutes deux à une énergie de centre de masse nucléon-nucléon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV.

• Reconstruction des jets : Les jets sont reconstruits à l'aide de l'algorithme anti-$k_t$ avec un paramètre de rayon $R=0,4$. L'analyse se concentre sur deux intervalles de rapidité vers l'avant : $2,8 < |y| < 3,2$ et $3,2 < |y| < 3,6$. Un seuil de moment transverse $p_T > 74$ GeV est appliqué pour garantir une efficacité de déclenchement complète et pour supprimer les contributions des fluctuations de l'événement sous-jacent (UE).
• Détermination de la centralité : La centralité des événements dans les collisions Pb+Pb est estimée à l'aide de l'énergie transverse totale dans les calorimètres vers l'avant ($\Sigma E_{FCal}^T$), corrélée à une simulation Monte Carlo Glauber. Quatre intervalles de centralité sont définis : 0–10 %, 10–20 %, 20–50 % et 50–80 %.
• Soustraction du fond et étalonnage : La contribution de l'événement sous-jacent à la reconstruction des jets est soustraite sur une base événement par événement, en tenant compte de la modulation de l'écoulement harmonique. Des corrections de l'échelle d'énergie des jets (JES) et de la résolution d'énergie des jets (JER) sont appliquées. La JES inclut des composantes spécifiques à l'environnement des ions lourds pour tenir compte des modifications potentielles des schémas de fragmentation des jets.
• Déconvolution (Unfolding) : Pour corriger les effets de résolution du détecteur et les migrations entre les compartiments, une méthode de déconvolution bayésienne unidimensionnelle est employée. Les matrices de réponse sont construites à partir de simulations d'événements dijets superposés à des données de collisions Pb+Pb à événement minimum par événement pour modéliser de manière réaliste l'UE.
• Facteur de modification nucléaire ($R_{AA}$) : Le $R_{AA}$ est calculé comme le rapport entre le rendement de jet normalisé par $\langle T_{AA} \rangle$ dans les collisions Pb+Pb et la section efficace de jet dans les collisions $pp$.

Principales contributions et résultats
Ce travail présente la première mesure de la suppression des jets inclusifs à rapidité vers l'avant dans les collisions d'ions lourds.

• Observation de la suppression : Une suppression significative des rendements de jets est observée dans les collisions Pb+Pb par rapport aux collisions $pp$ pour tous les intervalles de centralité et les régions de rapidité mesurés.
• Dépendance à la centralité et au $p_T$ : L'amplitude de $R_{AA}$ augmente de manière monotone des collisions centrales (0–10 %) aux collisions périphériques (50–80 %). La suppression présente une dépendance légère vis-à-vis du $p_T$ du jet, les valeurs de $R_{AA}$ augmentant généralement avec le $p_T$. La dépendance au $p_T$ reste comparable entre les différents intervalles de centralité et de rapidité.
• Comparaison de rapidité :
  • Dans la région $2,8 < |y| < 3,2$, les valeurs de $R_{AA}$ mesurées ont tendance à être plus basses que celles mesurées dans la région de rapidité intermédiaire ($|y| < 2,8$). Ceci est cohérent avec les tendances suggérées par les mesures précédentes à rapidité intermédiaire et peut refléter le changement de composition de saveur (augmentation de la fraction de quarks) et des spectres plus raides à rapidité vers l'avant.
  • Dans la région plus avancée de $3,2 < |y| < 3,6$, la précision statistique de la mesure est insuffisante pour établir une comparaison concluante avec la région $|y| < 2,8$.
• Comparaison théorique : Les valeurs de $R_{AA}$ mesurées sont comparées à trois modèles théoriques : le modèle de transport de Boltzmann linéaire (LBT), le modèle hybride et un modèle paramétrique.
  • Le modèle LBT reproduit la forme de $R_{AA}$ mais sous-estime l'amplitude de la suppression.
  • Le modèle paramétrique surestime la suppression à haut $p_T$.
  • Le modèle hybride offre le meilleur accord avec les données lorsque les diffusions de Molière et le sillage du milieu (la réponse du QGP à l'énergie déposée) sont inclus.

Signification
L'article affirme que ces résultats constituent la première mesure de la suppression des jets inclusifs à rapidité vers l'avant dans les collisions d'ions lourds. En sondant un régime cinématique avec des mélanges différents de jets initiés par des quarks et des gluons, des densités de milieu effectives potentiellement différentes et des niveaux de biais de sélection différents par rapport à la rapidité intermédiaire, ces mesures fournissent de nouvelles contraintes sur les descriptions théoriques de la trempe de jet. Plus précisément, les données aident à distinguer la dépendance de la saveur de la perte d'énergie des partons ainsi que sa dépendance à la géométrie et à la densité du QGP en expansion. Les résultats servent de référence pour les modèles tentant de décrire l'interaction entre les mécanismes perturbatifs et non perturbatifs dans les interactions jet-milieu.