First measurement of the ratio of -to- inclusive production in and $pp$ collisions at with SMOG2
L'expérience LHCb rapporte la première mesure du rapport de section efficace de production par rapport à dans les collisions et $pp\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=113\,\mathrm{GeV}$ en utilisant SMOG2, observant un rapport de dans les collisions qui signale l'émergence d'effets nucléaires et établit une base de référence pour des études futures avec des systèmes de collision plus larges.
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Au cœur de la matière réside une force si puissante qu'elle lie ensemble les plus petits blocs de construction de l'univers. Cette force, connue sous le nom d'interaction forte, est transportée par des particules appelées gluons et agit entre les quarks, les constituants fondamentaux des protons et des neutrons. Lorsqu'un quark lourd rencontre son partenaire d'antimatière, ils peuvent se lier pour former une particule éphémère appelée charmonium. Les scientifiques étudient ces paires fugaces pour comprendre comment la force forte se comporte sous différentes conditions. Dans le vide, comme lors d'une collision entre deux protons, ces particules se forment et se désintègrent de manière prévisible. Cependant, lorsque la même collision se produit à l'intérieur d'un noyau plus gros, l'environnement change. Le nuage dense d'autres particules entourant le point de collision peut interférer avec la formation ou la survie du charmonium, agissant comme un brouillard épais qui pourrait dissoudre le lien délicat avant qu'il ne se forme pleinement. En comparant la fréquence à laquelle ces particules apparaissent dans des collisions simples par rapport à celles se produisant à l'intérieur d'un noyau plus lourd, les physiciens peuvent cartographier précisément comment cet environnement nucléaire modifie les règles de la physique des particules.
Une équipe de chercheurs utilisant l'expérience LHCb au CERN a porté un nouveau regard sur ce phénomène en projetant des protons dans du gaz d'argon. Alors que le Grand Collisionneur de Hadrons est célèbre pour faire entrer en collision des faisceaux de protons frontaux à des vitesses records, cette expérience a utilisé une configuration unique où un faisceau de protons était tiré dans un nuage stationnaire de gaz. Cette approche à cible fixe a permis aux scientifiques d'étudier les collisions à un niveau d'énergie spécifique de 113 GeV par paire de nucléons, un régime qui n'avait pas été exploré avec cette précision auparavant. L'équipe s'est concentrée sur deux types spécifiques de charmonium : le J/psi et le psi(2S). Ces deux particules appartiennent essentiellement à la même famille, mais le psi(2S) est une version plus excitée et moins solidement liée du J/psi. Comme le psi(2S) est maintenu plus faiblement, la théorie suggère qu'il devrait être plus fragile et plus susceptible d'être détruit par le brouillard nucléaire environnant que son cousin plus robuste.
Pour étudier cela, les chercheurs ont analysé des données collectées en 2024, lorsqu'ils ont injecté des nuages d'hydrogène et d'argon dans le trajet du faisceau de protons. Les collisions d'hydrogène servaient de référence, représentant un environnement propre sans brouillard nucléaire, tandis que les collisions d'argon constituaient le cas de test, car les noyaux d'argon sont beaucoup plus grands et créent un environnement plus dense. En comptant le nombre de particules J/psi et psi(2S) produites dans chaque type de collision, l'équipe a calculé un rapport qui compare les taux de production des deux particules. Ils ont constaté que dans les collisions proton-proton, le rapport du psi(2S) par rapport au J/psi était légèrement plus élevé que dans les collisions proton-argon. Plus précisément, le rapport dans les collisions d'argon était environ 10 % inférieur à celui des collisions de protons. Cette différence suggère que l'environnement nucléaire dans le gaz d'argon supprime effectivement la production de la particule plus fragile, le psi(2S), plus que l'effet sur le J/psi.
L'étude ne s'est pas arrêtée à un seul chiffre ; les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en examinant la vitesse et la direction des particules produites. Ils ont observé que cet effet de suppression était plus marqué lorsque les particules se déplaçaient lentement et se dirigeaient vers l'arrière par rapport au faisceau de protons. Ce schéma concorde avec l'idée que le brouillard nucléaire est plus efficace pour perturber la formation de ces particules lorsqu'elles ont plus de temps pour interagir avec la matière environnante. Les résultats ont été comparés à des mesures antérieures provenant d'autres expériences et à des modèles théoriques qui tiennent compte des particules se déplaçant aux côtés du charmonium, appelées "comovers", ainsi qu'à des modèles d'absorption nucléaire. Les données concordent bien avec la prédiction selon laquelle le milieu nucléaire interfère activement avec la formation du psi(2S), bien que l'effet soit modeste.
Ce travail représente la première mesure précise de ce rapport dans les collisions proton-argon à cette énergie spécifique, servant de référence cruciale pour les études futures. Les chercheurs soulignent que, bien que les preuves pointent vers un effet de suppression, l'échantillon de données est encore relativement petit, et un ensemble de données plus important sera nécessaire pour confirmer la découverte avec une plus grande certitude. Le succès de cette mesure met également en évidence la capacité du détecteur LHCb à fonctionner dans ce mode à cible fixe, ouvrant la voie à des investigations encore plus détaillées sur la façon dont la matière se comporte dans des conditions extrêmes. En continuant à affiner ces mesures avec différents cibles gazeuses et des échantillons de données plus larges, les physiciens espèrent construire une image complète de la manière dont la force forte opère au sein de l'environnement nucléaire dense, éclairant ainsi les règles fondamentales qui régissent l'univers à ses plus petites échelles.
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