Thèse soutenue

Étude des distributions dépendantes de l'impulsion transverse des gluons à l'intérieur du proton à l'aide de la production de paires de quarkonia au LHC

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Auteur / Autrice : Florent Scarpa
Direction : Jean-Philippe LansbergDaniël Boer
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des particules
Date : Soutenance le 26/06/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Rijksuniversiteit te Groningen (Groningen, Nederland)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
Jury : Président / Présidente : Elisabetta Pallante
Examinateurs / Examinatrices : Piet Mulders, Cédric Lorcé, Robertus Timmermans, Bruno Espagnon, Cynthia Hadjidakis, Gerco Onderwater
Rapporteurs / Rapporteuses : Piet Mulders, Cédric Lorcé

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Mots clés libres

Résumé

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La factorisation dépendante de l’impulsion transverse est utilisée pour décrire les collisions hadroniques en incluant l’impulsion transverse intrinsèque des partons à l’intérieur des hadrons. Cela requiert l’usage de distributions dépendantes de l’impulsion transverse (Transverse Momentum-Dependent distributions en anglais ou TMDs). De telles distributions doivent être extraites de données expérimentales. Les TMDs de quarks sont relativement connues grâce à des processus pour lesquels de nombreuses données sont disponibles. Les TMDs de gluons restent peu connues car il n’existe pas de processus idéal pour les étudier dans les accélérateurs en fonctionnement. Le futur Electron-Ion Collider (EIC) permettra leur étude de façon beaucoup plus complète, mais sa mise en fonctionnement n’est pas prévue avant au moins 10 ans. De plus, il est important d’étudier les TMDs à l’aide de divers processus afin de tester leur universalité qui n’est pas aussi triviale que celle des distributions colinéaires.Nous proposons d’utiliser la production de paire de quarkonia pour étudier les deux TMDs de gluon accessibles dans les collisions de protons non polarisés au LHC. Les quarkonia sont des mésons, c’est-à-dire des états liés de paires quark-antiquark. Dans le cas d’un quarkonium, la paire est faite de quarks de la même saveur lourde : les charmonia combinent un charm et un anticharm, tandis que les bottomonia combinent un bottom et un antibottom. Les mésons J/psi sont des charmonia de spin 1 et sont produits en grandes quantités au LHC. Les paires de J/psi sont en grande majorité produites via des fusions de gluons, ce qui est important pour l’étude spécifique des TMDs de gluons. L’étude d’états finaux à deux particules permet également de sélectionner diverses valeurs de l’échelle dure du processus, qui dans ce cas est de l'ordre de la masse de la paire, ce qui permet de plus d’étudier l’évolution des TMDs.Nous utilisons d’abord un modèle simple de TMDs gaussiennes pour calculer des observables de la production de paires de J/psi qui sont sensibles au TMDs. Ces observables sont le spectre de l’impulsion transverse de la paire, principalement sensible à la TMD de gluon non polarisés, et les asymétries azimutales, dont l’existence requiert la TMD de gluons linéairement polarisés. Nous utilisons également les données LHCb sur la production de paires de J/psi pour extraire l’impulsion transverse moyenne des gluons dans notre modèle gaussien. L’importante valeur obtenue est interprétée comme une conséquence de l’évolution des TMDs qui augmente l’impulsion transverse intrinsèque du gluon via des contributions perturbatives présentes aux grandes échelles dures.Nous améliorons par la suite nos prédictions en incluant l’évolution des TMDs dans le formalisme utilisé pour décrire les TMDs de gluons dans nos calculs. Dans ce modèle, la distribution des gluons non polarisés est une contribution dominante , tandis que la distribution de gluons linéairement polarisés est sous-dominante. La composante non-perturbative restante est modélisée à l’aide d’une gaussienne. Nous observons que la magnitude des asymétries calculées pour la production de paires de J/psi est plus petite que celle calculée à l’aide du modèle purement gaussien. Cependant, nous observons également que ces asymétries restent de taille raisonnable et pourraient être détectées au LHC. Nous fournissons également des prédictions pour la production de paires de Upsilon (le Upsilon est l’équivalent bottomonium du J/psi).Enfin, nous étudions la structure en termes d’hélicité de l’amplitude de production de paires de quarkonia. En effet, elle peut être décomposée en une somme de sous-amplitudes correspondant à divers états d’hélicités des gluons incidents et des quarkonia produits. Dans la limite de grande masse de la paire, ces amplitudes se simplifient grandement et expliquent comment la production de paires de J/psi optimise l’amplitude d’une asymétrie.