Measurement of the ψ(2S) production in presence of a Quark-Gluon Plasma

par Victor Feuillard

Thèse de doctorat en Physique Nucléaire

Sous la direction de Xavier Lopez et de Hugo Pereira da Costa.

Soutenue le 16-11-2017

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 Philippe Rosnet.

Le jury était composé de Elena Ferreiro, Frédéric Fleuret, Roberta Arnaldi, Nathalie Besson.

Les rapporteurs étaient Elena Ferreiro, Frédéric Fleuret.

  • Titre traduit

    Mesure de la production de ψ(2S) en présence d’un Plasma de Quark et de Gluons


  • Résumé

    La matière nucléaire, constituant le noyau des atomes, est formée de quarks et de gluons, dont l’interaction est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). Dans des conditions normales, quarks et gluons ne peuvent être observés de façon isolée et sont confinés dans des hadrons tels que les protons et les neutrons. Le Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) est un état de la matière nucléaire prédit par la QCD pour lequel ces quarks et gluons sont déconfinés. Expérimentalement, le PQG peut être créé dans des collisions d’ions lourds ultra-relativistes, telles que les collisions d’ions lourds effectuées au LHC, correspondant à des vitesses proche de celle de la lumière. Il est possible d’obtenir des informations sur le PQG en mesurant un large nombre d’observables. En particulier, la production de charmonium tels que le J/ψ et le ψ(2S), particules lourdes constituées d’une paire de quarks charme et anti-charme () est mesurée pour étudier le plasma. En effet, la présence d’un PQG est censée modifier les taux de production des charmonia, à cause d’un équilibre entre un mécanisme d’écrantage de couleur du potentiel des quarks charme et un mécanisme dit de recombinaison. La position de cet équilibre dépend de l’énergie de collision, la température du plasma, et la nature de la particule considérée, et plus spécifiquement, il est attendu que le ψ(2S) soit plus supprimé que le J/ψ. Dans cette thèse, la production inclusive de ψ(2S) en collisions Pb − Pb à une énergie par collision nucléon-nucléon dans le référentiel du centre de masse de TeV est mesurée dans le canal de décroissance de dimuon avec le Spectromètre à Muons d’ALICE. L’analyse est basée sur les données collectées dans ALICE (A Large Ion Coliider Experiment) au LHC en 2015 correspondant à une luminosité intégrée de 225 μb−1. Le facteur de modification nucléaire RAA est étudié en fonction de la centralité des collisions, correspondant à la distance transverse entre les centre des noyaux de plomb. Le rapport des RAA du ψ(2S) et du J/ψ est également mesuré et montre que le ψ(2S) est plus supprimé que le J/ψ pour des collisions mi-centrales et centrales. Comparées aux prédictions théoriques, les mesures sont compatibles avec les modèles dans la limite des incertitudes. L’amélioration du Muon Trigger, le MID, est également étudié, en particulier le débit de données attendu pour des fréquences de collision de 100 kHz. Basée sur les données en collisions Pb − Pb à une énergie de TeV, les estimations prédisent que la technologie qui sera implémentée sur le MID possède une bande passante suffisante.


  • Résumé

    The nuclear matter, which constitues the atomic nuclei, is composed of quarks and gluons and interactions between them are described by quantum chromo-dynamics (QCD). Under ordinary conditions, quarks and gluons cannot be observed isolated and are confined inside hadrons such as protons and neutrons. The Quark-Gluon Plasma (QGP) is a state of nuclear matter predicted by QCD where quarks and gluons are deconfined. Experimentally, a QGP can be created in ultra-relativistic heavy ion collisions such as the lead-lead collisions delivered at the LHC, corresponding to speeds close to the speed of light. It is possible to obtain information on the characteris- tics of the QGP by measuring a large number of observables. In particular, the production of charmonium states such as the J/ψ and the ψ(2S), heavy particles composed of a charm and anti-charm pair (), is studied to investigate the plasma. Indeed, the presence of QGP is expected to modify the charmonium production yields, due to a balance between the mechanism of color screening of the charm quark potential and a mechanism called recombination. This balance depends on the collision energy, the temperature of the plasma and nature on the considered particle, in particular one expects the ψ(2S) to be more suppressed than the J/ψ. In this thesis the inclusive production of ψ(2S) in Pb − Pb collisions at an energy per nucleon-nucleon collision in the center of mass frame of TeV is measured in the dimuon-decay channel, using the ALICE Muon Spectrometer. The analysis is based on the data collected in ALICE (A Large Ion Collider Experiment) at the LHC in 2015 with an integrated luminosity of 225 μb−1. The nuclear modification factor RAA is studied as a function of centrality. The ratio of the ψ(2S) and J/ψ RAA is also evaluated and shows that the ψ(2S) is more suppressed than the J/ψ for mid-central and central events. Compared with theoretical predictions, the measurements are, within uncertainty, in agreement with theoretical model. The upgrade of the Muon Trigger, the MID (Muon Identifier), is also studied, in particular the expected data flow at a collisions rate of 100 kHz. Based on the Pb − Pb data at a collision energy of TeV, the estimations predict that the technology that will be implemented in the MID provides a sufficient bandwidth to sustain the data flow.


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