Study of J/ψ polarization in proton-proton collisions with the ALICE detector at the LHC

par Arianna Batista Camejo

Thèse de doctorat en Physique des Particules

Sous la direction de Philippe Rosnet et de Valérie Barret.

Soutenue le 20-01-2017

à Clermont Auvergne , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire de Physique de Clermont (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Dupieux.

Le jury était composé de Philippe Rosnet, Valérie Barret, Javier Castillo, Katherin Shtejer Diaz.

Les rapporteurs étaient Roberta Arnaldi, Imad Laktineh.

  • Titre traduit

    Etude de la polarisation du J/ψ dans les collisions proton-proton avec le détecteur ALICE au LHC


  • Résumé

    L’expérience ALICE a pour principal objectif l’étude et la caractérisation du plasma de quarks et de gluons (QGP), un état de la matière nucléaire dans lequel les quarks et les gluons sont déconfinés. Les quarkonia constituent l’une des plus intéressantes sondes (des états liés d’un quark lourd Q et de son anti-quark Q) du QGP. De plus, l’étude de la production des quarkonia est très intéressante puisqu’elle peut contribuer à une meilleure compréhension de la Chromodynamique Quantique, la théorie décrivant l’interaction forte. La formation d’états de quarkonia lors de collisions hadroniques n’est pas bien comprise. Les deux principales approches théoriques décrivant la production d’états de quarkonia, le ‘Color Singlet Model’ (CSM) et la QCD non-relativiste (NRQCD), ont montré des difficultés à décrire simultanément la section efficace de production et la polarisation de tels états. Expérimentalement, les mesures de la polarisation des quarkonia n’ont pas toujours été compatibles entre elles. Ainsi, que ce soit du point de vue expérimental ou théorique, l’étude des quarkonia est restée inachevée. De nouvelles méthodes récemment proposées ont souligné la nécessité de mesurer tous les paramètres de la polarisation, dans les différents systèmes de référence. Dans ce contexte, de nouvelles mesures peuvent améliorer les contraintes actuelles, voire apporter de nouvelles contraintes sur les prédictions. ALICE a mesuré la polarisation du J/ψ lors de collisions pp à √8 = 7 TeV. La plus grande statistique des données à 8 TeV par rapport aux données à 7 TeV permet d’étendre les mesures à une gamme de pT plus large. Cette thèse présente une mesure complète de la polarisation de J/ψ, i.e. les trois paramètres de polarisation, dans deux systèmes de référence différents: le système Collins-Soper et le système d’hélicité. Les résultats ne montrent aucune polarisation significative pour le J/ψ dans le domaine cinématique étudié : 2.5 < y < 4.0 et 2 < pT < 15 GeV/c. Le paramètre invariant λ a également été mesuré afin d’écarter le risque d’un biais dans la procédure d’analyse. La comparaison de ces résultats avec les prédictions théoriques montre que la production de quarkonia n’est pas encore correctement décrite. Aucun de ces modèles théoriques n’est capable de décrire à la fois les mesures de sections efficaces et de polarisation.


  • Résumé

    The main purpose of the ALICE experiment is the study and characterization of the Quark Gluon Plasma (QGP), a state of nuclear matter in which quarks and gluons are deconfined. Quarkonia (bound states of a heayvy quark Q and its anti-quark Q) constitute one of the most interesting probes of the QGP. Besides this motivation, the study of quarkonium production is very interesting since it can contribute to our understanding of Quantum Chromodynamics, the theory of strong interactions. The formation of quarkonium states in hadronic collisions is not yet completely understood. The two main theoretical approaches to describe the production of quarkonium states, the Color Singlet Model and the Non-Relativistic QCD framework (NRQCD), have historically presented problems to simultaneously describe the production cross section and polarization of such states. On the experimental side, quarkonium polarization measurements have not always been complete and consistent between them. So, neither from the theoretical nor from the experimental point of view the situation was clear.Improved methods for the measurement of quarkonium polarization have been recently proposed, highlighting the necessity to perform the measurements of all polarization parameters with respect to different reference axes. In this context, new measurements could help to improve and set new constraints to the calculations. ALICE has measured the J/ψ polarization in pp collisions at √8= 7 TeV. The higher statistics of the 8 TeV data with respect to the 7 TeV data allows to extend the pT range of the measurements. This thesis presents a complete measurement of J/ψ polarization, i.e. the three polarization parameters, in two polarization frames : the Collins-Soper and Helicity frames. The results show no significant J/ψ polarization in the kinematic domain studied: 2.5 < y < 4.0 and 2 < pT < 15 GeV/c. The measurement of a frame invariant parameter λ, was also performed to ensure that no bias was present in the analysis procedure. The comparison with different theoretical predictions shows that there is not yet a satisfactory description of quarkonium production. None of the present theoretical approaches is able to describe both, the cross section and polarization measurements.


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