Photoproduction de charmonia dans les collisions Pb-Pb

La densité record de photons autour des noyaux ultrarelativistes accélérés au LHC produit des J/$\psi$

Les noyaux de Plomb accélérés au LHC (CERN) aux énergies ultrarelativistes sont sources d’un important champ électromagnétique qui ressemble à un champ de photons d’une densité de l’ordre de quelques photons autour du noyau, ce qui représente des densité records de l’ordre de 1024 photons par cm$^2$, avec des énergies de quanta des photons qui atteignent le gigaélectronvolt. Ainsi le LHC devient un collisionneur photon-photon ou photon-hadron ; Les réactions induites par photons sont à l’étude dans les collisions ultrapériphériques au LHC (Fig 1) mais également dans les collisions avec recouvrement nucléaire.

Figure 1: Vue schématique des noyaux de Plomb entrant en collision et du champ de photons associé. Collisions ultrapériphériques pour b > R1+R2. Collisions avec recouvrement nucléaire pour b <= R1+R2.

En 2016, la collaboration ALICE a observé une production plus importante de J/$\psi$ (état lié d’un quark et un antiquark charmé) dans les collisions Pb-Pb à $\sqrt{s_{NN}}$=2.76 TeV très périphériques et à très basse impulsion transverse, par rapport aux prédictions théoriques dans les processus hadroniques. Ce résultat étant la première indication de la photo-production cohérente de J/$\psi$ dans des collisions avec recouvrement nucléaire. Il s’agit d’une interaction cohérente d’un photon avec tout le noyau de Pb produisant un J/$\psi$, qui a les mêmes nombres quantiques que le photon avec une masse 3 fois supérieure à la masse du proton. Littéralement le photon, par fluctuation quantique se transforme en un quark-antiquark charmé virtuel et qui par interaction avec le noyau acquiert de la masse et se transforme dans un J/psi réel. La compréhension de la photo-production cohérente dans une collisions avec recouvrement nucléaire représente un défi pour la physique théorique, car la cohérence de l’interaction du photon avec un noyau qui se disloque complètement lors de la collision avec recouvrement nucléaire, reste un mystère. La collaboration ALICE, a mesuré cette production cohérente à rapidité avant (2.5$<$y$<$4) dans le canal de décroissance muonique du J/$\psi$ dans des collisions périphériques Pb-Pb à $\sqrt{s_{NN}}$=5.02 TeV, et, pour la première fois un signal ($> 5 \sigma$) a été observé dans des collisions semi-centrales. La section efficace de production de ces J/$\psi$ est présentée sur la Figure 2 en fonction du nombre moyen de nucléons participants $<N_{part}>$ (Dans cette représentation les collisions les plus centrales correspondent à $<N_{part}>$ ≈400 ). Ces résultats montrent aussi une faible dépendance avec la centralité de la collision, ainsi qu’une augmentation de la photo-production cohérente avec l’énergie de la collision. Ces résultats sont reproduits par des calculs théoriques utilisés pour décrire la photo-production dans les collisions ultrapériphériques, modifiés phénoménologiquement pour tenir compte des contraintes d’une interaction avec recouvrement nucléaire.

Figure 2: Section efficace de la photo-production de J/psi en fonction du nombre moyen de nucléons participants, <Npart>, dans l’interaction hadronique Pb-Pb à l’énergie du centre de masse √s_NN==5.02 TeV. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques.

Les futures mesures du Run3 (avec plus de statistique et plus de précision) pourront clarifier les modèles théoriques de photo-production cohérente mais également en étudiant ce processus pour des collisions plus centrales, elles permettront de tester la dissociation des J/$\psi$ photo-produits dans le plasma de Quark et de Gluons qui est généré dans le volume du recouvrement nucléaire.

[1] Phys. Rev. Lett. 116 no. 22, (2016) 222301, arXiV 1509.08802

En savoir plus : arXiv:2204.10684 à paraître dans Phys.Lett.B. & Courrier du CERN : Oct2022

Pages collaboration ALICE : https://alice.cern/

Pages équipe Plasma @ Subatech : http://www-subatech.in2p3.fr/fr/recherche/equipes/plasma/presentation