De nouvelles mesures ALICE mettent en lumière la dynamique des particules de charme et de beauté dans le plasma quark-gluon

Lorsque deux ions plomb entrent en collision au Grand collisionneur de hadrons (LHC), ils produisent un état de matière extrêmement chaud et dense dans lequel les quarks et les gluons ne sont pas confinés dans des particules composites appelées hadrons. Cette boule de feu de particules, connue sous le nom de plasma quark-gluon et qui aurait rempli l'univers dans les premiers millionièmes de seconde après le Big Bang, se dilate et se refroidit rapidement. Les quarks et les gluons se transforment alors à nouveau en hadrons, qui s'envolent hors de la zone de collision vers les détecteurs de particules.

Dans les collisions où les deux ions plomb n'entrent pas en collision frontale, la région de chevauchement entre les ions a une forme elliptique qui laisse une empreinte sur le flux de hadrons. Les mesures d’un tel flux elliptique constituent un moyen puissant d’étudier le plasma quarks-gluons. Dans un article récent publié sur le arXiv serveur de prépublication, la collaboration ALICE a rapporté une nouvelle mesure du flux elliptique de hadrons contenant des quarks lourds, qui sont des sondes particulièrement puissantes du plasma.

Contrairement aux gluons et aux quarks légers qui constituent l’essentiel du plasma quark-gluon créé lors des collisions d’ions lourds, les quarks lourds charme et beauté sont produits dans les premières étapes des collisions, avant la formation du plasma. Ils interagissent donc avec le plasma tout au long de son évolution, depuis son expansion et son refroidissement jusqu'à sa transformation en hadrons.

De multiples interactions avec les constituants du plasma amènent les quarks lourds en équilibre thermique avec le milieu dans un temps inversement proportionnel à la masse du quark. Les quarks charmes sont plus légers que les quarks beauté, donc un temps de thermalisation plus court et un degré de thermalisation plus élevé sont attendus pour les quarks charmes que pour les quarks beauté.

Une fois thermalisés avec le plasma, les quarks charmes forment des mésons D et les quarks beauté forment des mésons B, en se combinant avec les quarks légers du milieu (voir figure ci-dessus). Des mesures antérieures ont montré que le flux elliptique de ces mésons D « rapides », ainsi nommés parce qu'ils sont produits juste après les collisions, est presque aussi fort que celui des hadrons les plus légers, les pions. Étant donné que le temps de thermalisation devrait être plus long pour les quarks beauté que pour les quarks charmes, le flux elliptique des mésons B devrait être plus faible que celui des mésons prompts D.

Dans sa récente analyse des collisions non frontales plomb-plomb survenues lors de l'exploitation 2 du LHC, la collaboration ALICE a mesuré le flux elliptique des mésons B, en mesurant le flux des mésons D « non prompts » qui sont produits dans les désintégrations des mésons B. La clé de l'analyse a été l'adoption d'une technique d'apprentissage automatique pour séparer les produits de la désintégration des mésons D non rapides de ceux des mésons rapides, ainsi que pour supprimer les nombreux processus de particules de fond qui imitent la production et la désintégration des mésons D. .

La nouvelle mesure montre que le flux elliptique des mésons D non prompts est plus faible que celui de leurs homologues prompts, en accord avec les attentes. Le résultat apporte un nouvel éclairage sur la thermalisation des quarks beauté dans le plasma quark-gluon et ouvre la voie à de nouvelles mesures ALICE basées sur les données de la troisième exploitation du LHC.

Avec 40 fois plus de collisions que le total enregistré par ALICE lors de ses précédentes périodes de collecte de données sur les ions lourds, le nouvel échantillon de collisions plomb-plomb prélevé en 2023 permettra d'étudier plus en détail le flux de particules de charme et de beauté, en perdant un éclairage supplémentaire sur leur dynamique dans le plasma quark-gluon.