Production de quarkonia par des gluons en factorisation dépendant de l'impulsion transverse : applications au LHC et à l'EIC

Gluon-induced quarkonium production in transverse-momentum-dependent factorisation : applications to the LHC and EIC

• Auteur / Autrice : Jelle Bor
• Direction : Jean-Philippe Lansberg, Daniël Boer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 11/02/2025
• 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 Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Van Swinderen Institute (Groningen, Pays-Bas)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabetta Pallante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Kulesza, Antoni Szczurek, Kristof de Bruyn, Rob Timmermans, Samuel Wallon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Kulesza, Antoni Szczurek

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gluons

Interactions électron-ion

Grand collisionneur de hadrons

Chromodynamique quantique

Quarks lourds

Interactions fortes (physique nucléaire)

Mots clés libres

Interaction forte

Production de quarkonia

Factorisation dépendant de l'impulsion transverse

LHC

EIC

TMDs de gluons

Strong interaction

Quarkonium production

TMD factorisation

LHC

EIC

Gluon TMDs

Résumé

Avec le Large Hadron Collider (LHC) et les expériences à haute énergie à venir avec le Electron-Ion Collider (EIC), nous pouvons explorer la structure élémentaire des protons. Autrefois, on pensait que les protons étaient composés de trois quarks de valence (deux quarks up et un quark down), mais nous savons désormais qu'ils contiennent également des paires éphémères de quark-antiquark de tous les six types de quarks ainsi que des gluons, les médiateurs de la force nucléaire forte, décrits par la chromodynamique quantique (QCD). Pour sonder la structure interne d'un nucléon, les fonctions de distribution des partons (PDFs) quantifient la manière dont le moment est distribué parmi les partons (quarks et gluons) longitudinalement dans une réaction, tandis transverse-momentum-dependent PDFs (TMDs) ajoutent des informations sur le moment transverse. Bien que les TMDs de quarks soient de mieux en mieux comprises, nos connaissances sur les TMDs de gluons sont encore très limitées. Cette étude se concentre sur l'extraction des TMDs de gluons à travers la production de quarkonium, en particulier des mésons J/psi, au LHC et à l'EIC, puisque le quarkonium, un méson formé par une paire quark-antiquark lourde de même saveur, provient principalement des gluons partoniques. Pour étudier de tels processus, il est essentiel qu'ils puissent être factorisés. Cela signifie que la section efficace, représentant la probabilité du processus, est une convolution d'un terme QCD perturbatif, qui peut être calculé théoriquement, et de termes non perturbatifs comme les TMDs et les éléments de matrice à longue distance (LDMEs) qui décrivent la formation du quarkonium, et qui doivent être extraits par expérimentation. Pour la production de J/psi dans les collisions électron-proton, la neutralité de couleur nécessite l'émission de gluons à faible énergie. Cela introduit la fonction de forme, cruciale pour réconcilier les cadres TMD et collinéaire (en termes de PDF) dans leur régime de recouvrement. Les calculs montrent que la fonction de forme est universelle, accompagnée d'un facteur dépendant du processus, et qu'elle devrait également jouer un rôle dans la production directe de quarkonium neutre en couleur à des ordres supérieurs. Les prédictions d'une asymétrie azimutale, liée au rapport entre les TMDs des gluons polarisés linéairement et non polarisés, suggèrent des effets mesurables à l'EIC pour sonder ces TMDs et ces fonctions de forme.De plus, un nouveau facteur non perturbatif de Sudakov a été développé pour le formalisme de l'évolution des TMD, améliorant les modèles gaussiens en extrapolant le comportement perturbatif connu dans le régime non perturbatif. Bien que novateur, ce facteur reste à déterminer expérimentalement. L'utilisation de ce nouveau facteur de Sudakov a permis d'obtenir un accord avec les données récentes de sections efficaces normalisées pour la production de paires de J/psi au LHCb. Cependant, les incertitudes liées à la variation des échelles nécessitent des corrections à des ordres supérieurs. Les études futures au LHC, telles que la production de paires d'Upsilon et la production de paires de J/psi avec un proton stationnaire, pourraient révéler davantage d'informations sur les TMDs de gluons à des énergies et fractions de moment plus élevées. Pour l'EIC, des progrès ont été réalisés vers un spectre complet pour la production de J/psi, en se concentrant sur les contributions indépendantes de l'angle. Bien que les sections efficaces TMD et collinéaires suivent des lois de puissance significativement différentes dans le régime cinématique à explorer par l'EIC, nous ne trouvons aucun problème de correspondance, car les sections efficaces TMD se trouvent au-dessus des sections collinéaires dans la région où la correspondance est censée se produire.

With the Large Hadron Collider (LHC) and the upcoming Electron-Ion Collider (EIC) high-energy experiments we can investigate the elementary structure of protons. In the past, protons were thought to comprise three valence quarks (two up, one down), but now we know they also contain short-lived quark-antiquark pairs of all six quark types and gluons, the mediators of the strong nuclear force, described by quantum chromodynamics (QCD). To probe the internal structure of a nucleon, parton distribution functions (PDFs) quantify how momentum is distributed among partons (quarks and gluons) longitudinally in a reaction, while transverse-momentum-dependent PDFs (TMDs) add transverse momentum information. While quark TMDs are getting better understood, our knowledge of gluon TMDs is still very limited. This study focuses on extracting gluon TMDs through quarkonium production, particularly J/psi mesons, at the LHC and EIC, since quarkonium, a meson formed by a heavy quark-antiquark pair of the same heavy flavour, mainly originates from partonic gluons. To study such processes, it is essential that they can be factorised. This means that the cross section, representing process likelihood, is a convolution of a perturbative QCD term, that can be theoretically calculated, and nonperturbative terms like the TMDs and the long-distance matrix elements (LDMEs) which describe the formation of the quarkonium, that need to be extracted from an experiment. For J/psi production in electron-proton collisions, colour neutrality requires low-energy gluon emission. This introduces the shape function, crucial for reconciling TMD and collinear frameworks (in terms of PDFs) in their overlapping regime. Calculations show the shape function is universal, while accompanied by a process-dependent factor, and it is expected to play a role in direct colour-neutral quarkonium production at higher orders as well. Predictions of an azimuthal asymmetry, linked to the ratio of linearly polarised to unpolarised gluon TMDs, suggest measurable effects at the EIC to probe these TMDs and shape functions. Additionally, a novel nonperturbative Sudakov factor was developed for the TMD evolution formalism, improving upon Gaussian models by extrapolating known perturbative behaviour into the nonperturbative regime. While innovative, this factor remains to be determined by experiment. Employing this novel Sudakov factor agreement with recent normalised cross-section data for J/psi-pair production at the LHCb is found. However, scale variation uncertainties necessitate higher-order corrections. Future LHC studies, such as Upsilon-pair production and J/psi-pair production with one stationary proton, may reveal more about gluon TMDs at higher energies and momentum fractions. For the EIC, progress was made toward a complete spectrum for J/psi production, focusing on angle-independent contributions. Although the TMD and collinear cross sections follow significantly different power laws in the kinematic regime to be probed by the EIC, we find no matching issues, because the TMD cross sections lie above the collinear ones in the region where matching is expected to occur.