Photoproduction de charmonium en collisions Pb-Pb avec recouvrement nucléaire mesurée avec ALICE au LHC

Charmonium photoproduction in Pb-Pb collisions with nuclear overlap measured with ALICE at the LHC

• Auteur / Autrice : Afnan Shatat
• Direction : Cynthia Hadjidakis, Laure Massacrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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-....) - Centre européen pour la recherche nucléaire
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ginés Martinez Garcia, Matthew Nguyen, Jesús Guillermo Contreras Nuño, Mariola Klusek-Gawenda, Ronan McNulty
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ginés Martinez Garcia, Matthew Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoproduction

Grand collisionneur de hadrons

Interactions d'ions lourds

Interactions quark-gluon

Quarks lourds

Chromodynamique quantique

Plasma quark-gluon

Mots clés libres

Chromodynamique quantique

Charmonium

Photoproduction

Collisions d'ions lourds

ALICE au LHC

Quantum chromodynamics (QCD)

Charmonium

Photoproduction

Heavy-ion collisions

ALICE at the LHC

Résumé

Les collisions ultrarelativistes d'ions lourds sont utilisées pour étudier la matière nucléaire à haute température et à haute pression, où la chromodynamique quantique prédit l'existence d'un état déconfiné de la matière hadronique, le plasma de quarks et de gluons (QGP). L'expérience ALICE au grand collisionneur de hadrons (LHC) est consacrée à l'étude du plasma de quarks et de gluons. Dans le cas de collisions ultrapériphériques (UPC), pour lesquelles le paramètre d'impact entre les deux noyaux qui collisionnent est supérieur à deux fois le rayon nucléaire, les interactions hadroniques sont supprimées. Les puissants champs électromagnétiques émis par les ions lourds ultrarelativistes induisent des réactions photonucléaires. Ces processus ont été largement étudiés dans le contexte des collisions ultra-périphériques. Lorsqu'un photon quasi-réel interagit de manière cohérente avec le noyau, un charmonium peut être produit. Ce processus est appelé photoproduction cohérente. Il permet de sonder la distribution des gluons dans le noyau et impose des contraintes strictes sur la structure des noyaux à petit x-Bjorken, une région encore peu connue. Ces dernières années, la photoproduction cohérente de J/ψ a été observée à très faible impulsion transverse dans les collisions noyau-noyau avec recouvrement nucléaire, sur la base de la mesure d'un excès du taux de production de J/ψ par rapport à la production hadronique de J/ψ attendue. Plusieurs modèles théoriques, initialement développés pour décrire la photoproduction cohérente de J/ψ en UPC, ont été étendus pour décrire ce mécanisme dans les collisions PbーPb avec recouvrement nucléaire. Les modèles considèrent différents scénarios pour tenir compte du recouvrement nucléaire, notamment via des modifications du flux de photons émis et/ou de la section efficace photonucléaire. Les modèles prédisent des dépendances différentes en fonction de la rapidité et de la géométrie de la collision. La section efficace de photoproduction cohérente de J/ψ a été mesurée précédemment par ALICE dans des collisions Pb-Pb avec recouvrement nucléaire en fonction de la géométrie de la collision. Les modèles ont pu reproduire qualitativement la mesure. Afin d'imposer des contraintes supplémentaires aux modèles, cette thèse étudie la dépendance en rapidité de la section efficace de photoproduction cohérente de J/ψ en utilisant les données PbーPb collectées durant le Run 2 du LHC (2015-2018), à √sNN = 5.02 TeV avec l'expérience ALICE. Le taux de production de J/ψ cohérent est estimé à partir du taux mesuré de J/ψ, après soustraction du taux de production du J/ψ hadronique. Ce dernier est modélisé à l'aide de la mesure du facteur de modification nucléaire du J/ψ dans les collisions PbーPb, et de la section efficace hadronique de référence J/ψ mesurée dans les collisions pp à la même énergie dans le centre de masse. Les modèles de photoproduction du J/ψ peuvent décrire qualitativement l’ordre de grandeur de la section efficace mesurée mais ne parviennent pas à décrire sa dépendance en rapidité, comme c’est également le cas pour les mesures UPC. Pour mieux interpréter les résultats, une meilleure description des mesures UPC par les modèles disponibles est nécessaire. La mesure effectuée dans cette thèse est également utilisée en conjonction avec des mesures similaires en UPC pour extraire la section efficace photonucléaire en fonction de l'énergie dans le centre de masse du système Ɣ-Pb, correspondant à des valeurs de x-Bjorken comprises entre 10⁻⁵ et 3.10⁻².

Ultrarelativistic heavy-ion collisions are employed to investigate nuclear matter at high temperature and pressure, where Quantum Chromodynamics predicts the existence of a deconfined state of hadronic matter, the Quark Gluon Plasma (QGP). The ALICE experiment at the Large Hadron Collider is devoted to the QGP study. In the case of ultraperipheral collisions (UPC), in which the impact parameter between the two colliding nuclei is larger than twice the nuclear radius, hadronic interactions are suppressed. The strong electromagnetic fields emitted by ultrarelativistic heavy ions induce photonuclear reactions. These processes have been extensively studied in the context of ultraperipheral collisions. When a quasi-real photon interacts coherently with the nucleus, a charmonium can be produced. This process is called coherent photoproduction. It gives insight into the gluon distribution of the heavy nucleus and places stringent constraints on the hadron structure, including the poorly known regions of low Bjorken-x values. In recent years, the coherent J/ψ photoproduction at very low transverse momentum has been observed in nucleusーnucleus collisions with nuclear overlap, based on the measurement of an excess in the J/ψ yield with respect to expectations from hadronic J/ψ production. Several theoretical models, initially developed to describe coherent J/ψ photoproduction in UPC, were extended to describe this mechanism in PbーPb collisions with nuclear overlap. Models consider a variety of scenarios to account for the nuclear overlap, including modifications of the emitted photon flux and/or photonuclear cross section. The models predict different dependencies on rapidity and collision geometry. The coherent J/ψ photoproduction cross section was previously measured by ALICE in PbーPb collisions with nuclear overlap as a function of the collision geometry. Models were able to reproduce the measurement qualitatively. To impose further constraints on the models, this thesis studies the rapidity dependence of the coherent J/ψ photoproduction cross section using the PbーPb data collected in Run 2 (2015-2018), at √sNN = 5.02 TeV with the ALICE experiment. The coherent J/ψ yield is estimated from the measured J/ψ raw yield by subtracting the hadronic J/ψ yield. The latter is modeled using the measurement of the J/ψ nuclear modification factor in PbーPb collisions, and the reference J/ψ hadronic cross section measured in pp collisions at the same center-of-mass energy. Models of J/ψ photoproduction can qualitatively describe the magnitude of the measured cross section but fail at describing its rapidity dependence, as in the case of UPC. To accurately interpret the results, it will be necessary to reach a better description of UPC measurements by available models. The measurement performed in this thesis is also employed in conjunction with similar measurements in UPC to extract the photonuclear cross section as a function of the Ɣ-Pb center-of-mass energy, corresponding to Bjorken-x values from 10⁻⁵ to 3.10⁻².