Υ production and polarization in pp collisions at √s = 13 TeV at the CERN LHC

Yanchun Ding

Résumé

Quarkonium (e.g. J/ψ or Υ and their excited states), bound states of charm and anticharm (c ̄c) or bottom and antibottom (b ̄b) quarks, represent an effective tool to test our understanding of quantum chromodynamics (QCD), concerning both their production mechanisms in vacuum or vacuum-like hadronic environments, and their interaction with the deconfined medium produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions. Among the available tools to characterize quarkonium production in proton-proton collisions, the correlation between quarkonium production and the charged-particle multiplicity is particularly helpful in order to investigate the interplay between soft and hard production mechanisms of quarkonium. In this context, the charged-particle multiplicity allows one to characterize the properties of the underlying event (including the role of multiparton interactions), acting as an effective scaling parameter determining the deviation of the observed effects from the vacuum reference, independently of the collision mode size. Another interesting tool to constrain our understanding of quarkonium production, is the study of quarkonium polarization, i.e. the spin alignment of a given quarkonium state with respect to a chosen axis. ALICE is an experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC), dedicated to the study of hadronic collisions from pp to Pb-Pb, where a hot and dense medium can be created, named quark-gluon plasma. With the Run 2 data taking of the LHC, the highest collision energies ever delivered in the laboratory have become accessible. In this thesis, the measurement of Υ(1S), Υ(2S), and Υ(3S) yields as a function of the charged-particle multiplicity density dNch/dη, using the ALICE experiment at the LHC, is reported in pp collisions at √s = 13 TeV. The Υ meson yields are measured at forward rapidity (2.5 < y < 4) in the dimuon decay channel, whereas the charged-particle multiplicity is defined at central rapidity (|η| < 1). Both quantities are normalized to their average value in minimum bias events. The increase of the self-normalized Υ(1S), Υ(2S), and Υ(3S) yields is found to be compatible with a linear scaling with the self-normalized dNch/dη, within the uncertainties. The measured Υ excited-to-ground state self-normalized yield ratios are found to be compatible with unity within uncertainties. Similarly, the measured double ratio of the self-normalized Υ(1S) to the self-normalized J/ψ yields, both measured at forward rapidity, is compatible with unity for self-normalized charged-particle multiplicity beyond one. The measurements are compared with theoretical predictions incorporating initial or final state effects. The Υ(1S) polarization has been also measured in pp collisions at √s = 13 TeV; the analysis could not be extended to the excited states Υ(2S) and Υ(3S) due to the limited size of the available data sample. The Υ(1S) polarization parameters λθ, λφ and λθφ have been measured as a function of pT both in the Helicity and Collins-Soper reference frames. No significant deviation from a zero-polarization scenario is observed for the Υ(1S) in pp collisions, as expected from the Next-to-Leading-Order QCD calculations. This result is consistent with the measurement performed by LHCb in pp collisions at √s = 8 TeV in a similar kinematic region (2.2 < y < 4.5) within large uncertainties.

Les états de quarkonium (e.g. J/ψ or Υ et leurs états excités), états liés de quarks charme et anticharme (c ̄c) ou bottom et antibottom (b ̄b) fournissent un moyen efficace de tester notre compréhension de la chromodynamique quantique (QCD), à la fois en ce qui concerne leurs mécanismes de production dans le vide ou dans des environnements hadroniques de type vide. et leur interaction avec le milieu déconfiné produit en collisions d'ions lourds ultra-relativistes. Parmi les outils offerts pour caractériser la production de quarkonium en collisions proton-proton, la corrélation entre production de quarkonium et multiplicité de particules chargées est particulièrement pertinente pour mettre en évidence le rôle joué par les mécanismes durs et doux de production de quarkonium. Dans ce contexte, la multiplicité de particules chargées permet d'établir les propriétés de l'événement sous-jacent (y compris le rôle des interactions multi-partoniques), agissant comme un paramètre d'échelle effectif, déterminant l'écart des effets observés à la référence du vide, indépendamment de la taille du système. L'étude de la polarisation de quarkonium, i.e. l'alignement d'un état donné de quarkonium par rapport à un axe choisi, est un autre outil intéressant pour éclairer notre compréhension de la production de quarkonium. ALICE est une expérience installée au LHC (Large Hadron Collider) du CERN, dédiée à l'étude de collisions hadroniques de proton-proton à Pb-Pb, où un milieu chaud et dense peut être créé, nommé le Plasma de Quarks-Gluons (QGP). Cette thèse décrit la mesure des Υ(1S), Υ(2S) et Y(3S) en fonction de la densité de multiplicité de particules chargées dNch/dη, effectuée par l'expérience ALICE du LHC en collisions proton-proton à √s = 13 TeV. Les mésons Y sont mesurés à rapidité avant (2.5 < y < 4) dans le canal de désintégration dimuon, tandis que la multiplicité de particules chargées est mesurée aux rapidités centrales (|η| < 1). Ces deux quantités sont normalisées à leurs valeurs moyennes obtenues dans les événements de biais minimum. L'augmentation observée des taux de production des Y(1S), Y(2S) et Y(3S) en fonction de la multiplicité de particules chargées normalisée est compatible avec une évolution linéaire, compte-tenu des barres d'erreur. Les rapports états excités sur fondamentaux normalisés sont compatibles avec l'unité, compte tenu des barres d'erreur. De même, le double rapport normalisé Y(1S) sur J/ψ , tous deux aux rapidités avant, est compatible avec l'unité pour des multiplicités de particules chargées normalisées au delà de 1. Les mesures sont confrontées à des prédictions de modèles théoriques incorporant des effets d'états initiaux ou finaux. La polarisation du Y(1S) a aussi été mesurée en collisions proton-proton à √s = 13 TeV. Du fait de la taille réduite du lot de données collectées, l'analyse n'a pas pu être menée pour les états Y(2S) et Y(3S). Les paramètres de polarisation λθ, λφ et λθφ ont été extraits pour le Y(1S) en fonction de l'impulsion transverse dans les référentiels de référence de l'hélicité et de Collins-Soper. Aucun écart significatif du scénario de polarisation nulle a été observé pour le Y(1S) en collisions pp, conformément aux prédictions de calculs Next-to-Leading-Order QCD. Ce résultat est en accord avec une mesure effectuée par la collaboration LHCb en collisions pp à √s = 8 TeV dans une région cinématique similaire (2.2

Mots clés

Quarkonium Multiplicity Upsilon QGP Polarization Helicity Collins-Soper Next-to-Leading-Order QCD

Quarkonium Multiplicité Upsilon QGP Polarisation Helicity Collins-Soper Next-to-Leading-Order QCD

Domaines

Physique [physics]