Le m´eson B+c en collisions d’ions lourds avec le d´etecteur CMS.

The B+c meson in heavy-ion collisions with the CMS detector

• Auteur / Autrice : Guillaume Falmagne
• Direction : Raphaël Granier de Cassagnac, François Arleo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Leprince-Ringuet (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Paganini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Granier de Cassagnac, François Arleo, Giulia Manca, Andrea Dainese, Bruno Espagnon, Pol-Bernard Gossiaux, Leticia Cunqueiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giulia Manca, Andrea Dainese

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions lourds

Plasma quark-gluon

Physique nucléaire

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Plasma de quarks et gluons

Bc

Qgp

Cms

Ions Lourds

Pertes d'énergie

Quark gluon plasma

Bc

Cms

Qgp

Heavy Ions

Energy loss

Résumé

Cette thèse traite de l'hadronisation des quarks lourds et des partons de haute énergie, et de leur modification par le plasma de quarks et gluons (QGP), un milieu chaud et dense créé dans les collisions plomb-plomb (PbPb) au LHC. La première observation de mésons Bc en collisions d'ions lourds est menée en analysant des données du détecteur CMS. Partant d'une loi d'échelle existante dans un modèle de pertes d'énergie radiatives dans le QGP, une seconde loi d'échelle est mise en évidence.L'analyse de données CMS en collisions proton-proton (2017) et PbPb (2018) à une énergie au centre de masse de 5.02 TeV par paire de nucléons mène à l'observation de désintégrations Bc^+ -> (J/psi -> mu mu) mu^+ nu, et à la mesure du facteur de modification nucléaire du méson Bc en deux intervalles d'impulsion transverse du trimuon (pT^{mu mu mu}) ou de la centralité de la collision PbPb. Trois bruits de fond principaux sont décrits, soit par simulation, soit par des méthodes fondées sur les données. Une de ces méthodes est spécifique à cette analyse, et décrit les J/psi combinés avec des muons ne venant pas du même processus: elle pivote le dimuon J/psi par différents angles avant de l'associer à un troisième muon du même événement. Un arbre de décision amélioré (boosted decision tree, BDT) est entraîné sur les candidats sélectionnés du signal et des bruits de fond. Un ajustement d'histogrammes en probabilités (likelihood template fit) est opéré pour ajuster sur les données les modèles de signal et de bruits de fond, séparés en intervalles de BDT, de masse invariante du trimuon, et de pT^{mu mu mu} ou de centralité. Des paramètres de nuisance dans le fit prennent en compte les incertitudes sur les formes des bruits de fond. L'acceptance et l'efficacité du déclenchement, de la reconstruction et de la sélection, sont évaluées de manière itérative, dans chaque bin de pT^{mu mu mu} ou de centralité, avec le signal simulé dont le spectre en pT^{mu mu mu} est préalablement corrigé par le spectre mesuré dans une analyse préliminaire. L'efficacité des muons dans la simulation est corrigée par une méthode de tag-and-probe utilisant la résonance en masse du J/psi, dont l'étude en collisions proton-proton est présentée en détail. L'incertitude sur la correction d'acceptance et efficacité appliquée au signal observé propage les autres sources d'incertitude à la correction du spectre en pT^{mu mu mu} de la simulation. Ce dernier est en effet varié dans les incertitudes de la mesure préliminaire, résultant en autant de variations de la correction d'acceptance et d'efficacité, lesquelles donnent l'incertitude associée à cette correction. Moins de suppression est observée pour le méson Bc^+ que pour toutes les autres saveurs lourdes ouvertes et fermées, à l'exception du méson Bs^0. Un probable adoucissement du spectre en pT est montré. Ces résultats pourraient indiquer que la recombinaison de quarks lourds contribue significativement à la production de mésons Bc dans le QGP. À haut pT (>10 ou 15 GeV), la perte d'énergie radiative devrait dominer la suppression des hadrons dans le QGP. Un modèle de perte d'énergie radiative partonique existant, fondé sur le spectre gluonique BDMPS induit par le milieu, prédit une dépendence universelle en pT du facteur de modification nucléaire. Cette forme est confirmée par des mesures dans des systèmes de différentes géométries et énergies; elles sont collectées et ajustées à ce modèle, pour extraire la perte d'énergie moyenne correspondante. Cette dernière est incluse dans une nouvelle loi d'échelle, qui la décrit comme dépendant uniquement de la taille et la géométrie du milieu et de la multiplicité en particules chargées. Différentes approches de la longueur de parcours du parton dans le milieu sont comparées. L'ajustement à des données de suppression hadronique permet d'extraire des propriétés d'expansion et de diffusion du milieu. Le coefficient d'asymmétrie azimuthale v_2 à haut pT pourrait aussi être prédit.

This thesis addresses how heavy-quark hadronisation and high-energy partons are affected by the quark-gluon plasma (QGP), a hot and dense medium created in lead-lead (PbPb) collisions at the LHC. Data from the CMS detector are analysed to achieve the first observation of Bc mesons in heavy-ion collisions. Building on an existing scaling law from a model of radiative energy loss in the QGP, a second scaling law is also brought to light.The analysis of CMS data from 2017 proton-proton and 2018 PbPb collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV per nucleon pair leads to the observation of Bc^+ -> (J/psi -> mu mu) mu^+ nu decays, and to the measurement of the Bc nuclear modification factor in two bins of the trimuon transverse momentum (pT^{mu mu mu}) or of the PbPb collision centrality. Three main backgrounds are described either with simulation or with specifically-designed data-driven samples. A boosted decision tree (BDT) is trained on the selected background and simulated signal candidates. A likelihood fit is run on signal and background templates, binned in BDT, trimuon invariant mass, and pT^{mu mu mu} or centrality. The acceptance and efficiency of the selection chain are evaluated iteratively in each pT^{mu mu mu} or centrality bin with the simulated signal, whose pT^{mu mu mu} spectrum is first corrected with the one measured in a preliminary analysis. The Bc^+ meson is found to be less suppressed than all measured open and hidden heavy flavour mesons, except the Bs^0 meson. The results also hint at a softening of the pT spectrum in PbPb collisions. These may indicate that heavy-quark recombination is a significant Bc production mechanism. At high pT (>10 ou 15 GeV), radiative energy loss should be the dominant source of suppression of hadrons in the QGP. An existing model for the radiative energy loss of partons, based on the BDMPS medium-induced gluon spectrum, predicts a universal pT-dependence of the nuclear modification factor. This fits collected measurements in systems of various geometric configurations and energies, from which the corresponding mean energy losses are determined. A new scaling law is found consistent with the gathered measurements: it links the extracted mean energy loss with the average path length in the medium and the charged particle multiplicity. This leads to the extraction of medium expansion and diffusion properties, and could allow for a prediction of the azimuthal asymmetry coefficient v_2 at high pT.