Le méson B_c^+ et les partons de haute énergie dans le plasma de quarks et gluons des collisions d'ions lourds dans le détecteur CMS au LHC

par Guillaume Falmagne

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Raphaël Granier de cassagnac et de François Arleo.

Thèses en préparation à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec LLR - Laboratoire LEPRINCE-RINGUET (laboratoire) et de CMS (equipe de recherche) depuis le 31-08-2018 .


  • Résumé

    Ce travail s'inscrit dans le cadre de la chromodynamique quantique (QCD), étudiée dans les collisions d'ions lourds au Large Hadron Collider (LHC). Plus particulièrement, les propriétés du plasma de quarks et gluons (QGP) produit dans les collisions entre noyaux de plomb seront étudiées par des mesures au sein du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) ainsi que par une approche théorique. Au LHC, des noyaux de plomb sont accélérés à une énergie de collision de 5 TeV par paire de nucléons. Le détecteur CMS, disposé autour d'un point de collision, enregistre alors les produits de désintégration des particules produites. Les propriétés du QGP peuvent ensuite être étudiées en comparant les mesures des collisions d'ions lourds aux collisions proton-proton, aussi effectuées au LHC, dans lesquelles le QGP n'est pas formé. Différents phénomènes peuvent entraîner une augmentation ou diminution des taux de production dans le QGP. Ces modifications peuvent alors être observées dans la comparaison Plomb-Plomb et proton-proton, apportant ainsi des informations indirectes sur le QGP. Les mésons B_c^+ (composé des quarks c et bar{b}) et Upsilon (composé des quarks b et bar{b}) encourent les phénomènes décrits ci-dessus et constituent donc d'excellentes sondes du QGP, qui peuvent être mesurées dans l'expérience CMS. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension de la dynamique de ces quarkonia dans le QGP, en conciliant les aspects expérimentaux et théoriques. Le premier objectif consiste, pour la première fois dans les collisions d'ions lourds, en la mesure de la production de B_c^+ dans les collisions PbPb, ou la détermination de limites supérieures en cas de non-observation. Une étude de données de simulation Monte Carlo sera d'abord effectuée pour évaluer la faisabilité de l'analyse, en déterminant le taux d'événements attendu si le rapport PbPb/pp était égal à 1. L'analyse des données CMS prises en 2018 sera ensuite effectuée. Ces données seront aussi analysées pour étudier la production de mésons Upsilon se désintégrant en une paire de muons. Un premier résultat sera le facteur de suppression PbPb/pp, déjà mesuré sur d'autres données mais jamais à très grande impulsion transverse. La mesure centrale sera celle du flot elliptique, i.e. l'asymétrie de la distribution azimutale, due à l'asymétrie des collisions où le paramètre d'impact des noyaux est non nul. Ce flot pourra être comparé à basse impulsion transverse à celui des états cbar{c}, pour quantifier l'effet de recombinaison (existant uniquement pour les quarks c). A grande impulsion transverse, ce flot provient majoritairement des pertes d'énergie des Upsilon dans le milieu, qui seront ainsi contraintes. Il existe un modèle phénoménologique des pertes d'énergie performant, fondé sur des relations d'échelles simples. Dans la partie plus théorique du travail de thèse, ce modèle sera affiné et développé pour prédire le coefficient de flot elliptique. Ce résultat sera comparé à la mesure effectuée sur les données CMS. Les effets de pertes d'énergie sur la production de quarkonia dans les collisions proton-noyau seront aussi étudiées.

  • Titre traduit

    The B_c^+ meson and high-energy partons in the quark-gluon plasma of heavy-ion collisions in the CMS detector at the LHC.


  • Résumé

    The framework of this thesis is the theory of quantum chromodynamics (QCD), studied in the heavy ion collisions at the Large Hadron Collider (LHC). The properties of the quark gluon plasma (QGP) produced in the collisions between lead nuclei will be studied both through measurements with the CMS detector (Compact Muon Solenoid) and through a theoretical approach. At the LHC, lead nuclei are accelerated to a collision energy of 5 TeV per nucleon pair. The CMS detector placed around the collision point records the decay products of the produced particles. The properties of the QGP can then be studied by comparing the measurement of heavy ion collisions to the ones of proton-proton collisions, where the QGP is not formed. Various phenomena can lead to an increase or a decrease of the production rate in the QGP; these modifications can then be observed in the lead-lead to proton-proton comparison, bringing indirect information on the QGP. The B_c^+ mesons (containing a c and a bar{b} quark) undergo the above phenomena, and are hence excellent probes of the QGP. This thesis aims at contributing to the understanding of the dynamics of these quarkonia in the QGP, both through experimental and phenomenological methods. The first goal is to measure, for the first time in heavy ion collisions, the production rate of B_c^+ mesons in PbPb collisions, or to set upper limits if the meson is not observed. A preliminary study of Monte Carlo simulated data will first be carried out, determining the expected event rate considering the PbPb/pp ratio equal to 1. The analysis of the CMS 2018 dataset will follow. This dataset will also be analysed to study the production of Upsilon mesons decaying to two muons. The first result will be the suppression factor PbPb/pp, already measured but never at very high transverse momentum. The main measurement will be the elliptic flow, i.e. the asymmetry of the azimutal distribution, due to the asymmetry of the collisions of nuclei with non-zero impact parameters. This will will be compared at low transverse momentum to the one of the cbar{c} states, to quantify the effect of recombination (which exists only for c quarks). At large transverse momentum, this flow is mainl due to energy loss of the Upsilon in the medium, which will hence be constrained. A phenomenological model already efficiently predicts energy loss processes, based on simple scalings. In the more theoretical part of the thesis, this model will be refined in order to predict the elliptic flow coefficient. This result will be compared to the measurement with CMS data. The effects of energy loss on the production of quarkonia in proton-nucleus collisions will also be studied.