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

Probing the gluon Transverse Momentum-Dependent distributions inside the proton through quarkonium-pair production at the LHC

• Auteur / Autrice : Florent Scarpa
• Direction : Jean-Philippe Lansberg, Daniël 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabetta Pallante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Piet Mulders, Cédric Lorcé, Robertus Timmermans, Bruno Espagnon, Cynthia Hadjidakis, Gerco Onderwater
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Piet Mulders, Cédric Lorcé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gluons

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

TMD

Gluon

Quarkonium

LHC

Résumé

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.

Transverse momentum-dependent factorisation is used to describe hadronic collisions while taking into account the intrinsic transverse momentum of partons inside hadrons. This requires the use of Transverse Momentum-Dependent Parton Distribution Functions (TMDPDFs or simply TMDs) in order to parametrise the parton correlator. Such distributions need to be extracted from experimental data. Quark TMDs are relatively well known thanks to processes such as semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan for which numerous data exist. Gluon TMDs remain poorly known, since there is no ideal process to probe them in the operating colliders. The future Electron-Ion Collider (EIC) will offer a much better access to them, but its first run remains at least 10 years from now. It is also important to study TMDs in various kinds of processes in order to check their universality which is not as trivial as that of collinear PDFs.We propose to use quarkonium-pair production to study the two leading-twist gluon TMDs accessible through unpolarised proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). Quarkonia are mesons, i.e. bound states of a quark-antiquark pair. In the case of a quarkonium, the pair is made of heavy flavours: charmonia combine a charm with an anticharm, while bottomonia combine a bottom with an antibottom. J/psi mesons are the lowest lying vector state of charmonia and are produced in large amounts at the LHC. J/psi pairs originate from gluon fusion in vast majority, which is important in order to focus on gluon TMDs. Studying two-particle final states also allows one to tune the hard scale of the process commensurate to the pair mass, which in turn allows one to study TMD evolution.We first use a model of Gaussian-based TMDs to compute observables in J/psi-pair production that are sensitive to the TMDs. These observables are the transverse-momentum spectrum of the pair, mostly sensitive to the unpolarised gluon TMD, and azimuthal asymmetries, whose existence requires the linearly-polarised gluon TMD. We see that J/psi pair production is an ideal process to probe the linearly-polarised gluon distribution through one azimuthal asymmetry that is maximal at large hard scales. We also use the LHCb data on the J/psi pair transverse momentum to fit the average gluon transverse momentum using our Gaussian-based model. The large value that is obtained is interpreted as a consequence of TMD evolution that perturbatively enhances the intrinsic transverse momentum of the gluon at such large hard scales.We then improve our predictions by including TMD evolution in the formalism used to describe the gluon TMDs in our calculations. In this picture, the unpolarised gluon distribution is a leading contribution in an expansion of the strong coupling, while the linearly-polarised distribution is subleading. The remaining nonperturbative component is modelled using a Gaussian. We observe that the computed magnitude of the azimuthal asymmetries in J/psi-pair production are lower than when using the purely Gaussian model. However, we observe that these asymmetries remain sizeable and could be detected at the LHC. We also provide predictions for Upsilon-pair production (the Upsilon is the bottomonium equivalent of the J/psi).We finally study the helicity structure of the quarkonium-pair production amplitude. It can be written as a sum of sub-amplitudes corresponding to various helicity states of the initial-state gluons and final-state quarkonia. In the high-mass limit of the pair, the amplitudes greatly simplify and explain how the hard-scattering coefficients of J/psi-pair production maximise the size of one azimuthal asymmetry, as previously observed. Moreover, it is shown that the amplitude zero for longitudinally polarised pairs predicted at leading order in the collinear regime exists as well in TMD factorisation. It should survive for intermediate masses as hard gluon emissions are suppressed in the TMD regime.