Les photons prompts et les photons du pion°

Etude de la production de photons isolés en collisions proton-proton avec le calorimètre EMCAL de l’expérience ALICE au LHC : thèse de doctorat en physique des particules présentée et soutenue publiquement par Raphaëlle ICHOU le 6 octobre 2010.

Pour la bonne compréhension de l’œuvre :

parton : nom générique donné aux constituants des hadrons, c’est-à-dire les quarks, anti-quarks et gluons.
LO (Leading Order) ou ordre dominant : wikipédia : structure nucléaire : Le calcul des in teractions nucléon-nucléon : ces dernières années, des progrès importants ont été réalisés dans la mise au point d’un mécanisme général à partir duquel des interactions NN,3N, 4N, etc. (on parle plutôt de potentiels NN,3N, etc) peuvent se construire plus ou moins automatiquement dans le cadre de la théorie des champs. La principale avancée a été de trouver un certain paramètre physique qui introduit une hiérarchie dans les différents termes de l’interaction, et ainsi permet un développement en perturbation. Le terme dominant est l’ordre zéro (« leading order » en anglais, LO). Par ordre d’importance, il est suivi par un terme dit de premier ordre (« next-to-leading-order », NLO), puis de second ordre (« next-to-next-to-leading order », N2LO), puis de troisième ordre (N3LO), etc. L’interaction « exacte » est la somme de toutes ces contributions.
diffusion élastique : Wikipédia : une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction, entre deux corps ou plus, au cours de laquelle l’énergie cinétique totale est conservée, mais à la suite de laquelle les directions de propagation sont modifiées. Ce changement de direction, dû aux forces d’interaction, est ce qui constitue la diffusion. Ce type de diffusion est qualifié d’élastique par opposition aux collisions inélastiques au cours desquelles l’énergie cinétique n’est pas conservée.
section efficace : en physique nucléaire ou en physique des particules, la section efficace est une grandeur physique reliée à la probabilité d’interaction d’une particule pour une réaction donnée. L’unité de section efficace est le mètre carré, mais le barn (b) est très souvent utilisé : 1 b = 10 puiss.-24 cm2 = 10 puiss. -28 m2.
impulsion transverse : en physique des particules on parle également de « pseudorapidité », n, qui est une coordonnée spatiale utilisée pour décrire l’angle de la trajectoire d’une particule par rapport à l’axe du faisceau.
PT : impulsion transverse d’une particule, c’est-à-dire sa projection dans le plan perpendiculaire à l’axe du faisceau (plus d’info à : Pseudorapidité – Wikipédia).

Avant de passer à l’explication de cette œuvre, voici quelques extraits du travail de Raphaëlle ICHOU :

p 21 en introduction :
L’un des objectifs du LHC au CERN est de caractériser la théorie de l’interaction forte, la ChromoDynamique Quantique, le secteur du Modèle Standard qui décrit l’interaction des quarks et des gluons dans le proton. Il est une sonde que nous distinguons dans ce travail de thèse. Il s’agit de la production de photons prompts, de grande impulsion transverse. ALICE est l’expérience du LHC dédiée à l’étude des collisions d’ions lourds (Pb-Pb) pour caractériser le comportement de la QDC à de très grandes densités d’énergie, l’expérience doit aussi mesurer les mêmes observables dans les collisions proton-proton. EMCAL, le calorimètre électromagnétique d’ALICE se chargera de détecter, parmi d’autres particules, les photons issus de la collision.
L’étude menée sur les photons prompts est toutefois entachée d’un large bruit de fond provenant de la désintégration du pion neutre en deux photons. Nous présenterons ensuite la méthode choisie ici pour soustraire le bruit de fond restant, dû aux pions° isolés.
Dans le premier chapitre, nous posons le contexte physique de la production de photons prompts , ainsi que de photons isolés, en collision proton-proton à grande énergie.
Le troisième chapitre décrit le calorimètre électromagnétique d’ALICE, EMCAL.
Dans le chapitre 4, nous présentons des prédictions théoriques concernant la production de photons isolés, d’après une étude comparative de deux générateurs d’évènement, PYTHIA (au LO) et JETFOX (au NLO), de photons prompts et de photons isolés.
Le cinquième chapitre présente la reconstruction, d’identification et l’isolement des photons et des pions°.

P 30 : à l’ordre dominant (LO, pour Leading Order) lorsque deux partons vont se fragmenter, ils subissent une diffusion élastique et donnent un quark et un gluon par exemple. Le quark et le gluon vont se fragmenter en quark et gluon de plus basse énergie, et il arrive qu’un photon apparaisse. Un tel photon, provenant de la fragmentation d’un parton dur, est dit de fragmentation. Ils formeront avec les photons directs, les photons prompts.
Des singularités apparaissent dans tous les processus où un parton de haute impulsion transverse (PT) subit une cascade d’embranchements colinéaires successifs, finissant par une fragmentation en photon.
P 31 : La production de photons prompts est une observable intéressante des phénomènes de courte portée entre quarks et gluons. Cette étude est complémentaire à celle des processus électrofaibles de Deep Inelastic Scattering et Drell Yan (p-p donne l+ l-) ainsi qu’aux processus perturbatifs purement hadroniques, comme la production inclusive de jets (p-p donne jet + X) ou de saveurs lourdes (p-p donne c,b + X).
Un des intérêts de l’étude des photons prompts en collisions p-p est la sensibilité des photons prompts aux fonctions de distribution de gluons dans le proton, tel le processus direct « Compton ».
P 36 : le bruit de fond des pions neutres ou pions° :
Le bruit de fond des photons secondaires, provenant des décroissances électromagnétiques du pion° et de l’Eta etc…, dépasse le signal des photons prompts d’au moins un ordre de grandeur. Du fait qu’ils sont les produits dominants de la fragmentation des partons (jets), les mésons légers sont en effet produits abondamment dans les machines hadroniques. Une bonne discrimination est donc nécessaire entre photons prompts et photons de décroissance. Les pions° de grand PT sont les fragments hadroniques des jets. Leur section efficace de production à grand PT est également prédite par la pQCD. La fonction de fragmentation des pions° est très supérieure à celle des photons, ce qui explique la prédominance des pions° par rapport aux photons.
P 37 : Expérimentalement, l’angle d’émission des deux photons de décroissance du pion° varie selon l’énergie du pion°. Plus l’énergie du pion° augmente, plus les photons sont proches l’un de l’autre, allant même jusqu’à se superposer : on a l’impression de détecter qu’un seul photon. Par contre, aux énergies inférieures à 10GeV/c, les décroissances du pion° produisent deux photons bien séparés. Cependant, les expériences en collisionneurs sont réalisées à plus grandes énergies, ce qui favorise les petits angles d’émission des deux photons du pion° : la distinction photon prompt – pion° est donc difficile.
P 38 : isolement des photons prompts dans les collisionneurs p-p :
Les pions° et les photons de fragmentation apparaissent comme fragments d’un jet emportant une partie de l’énergie de ce jet, le reste de cette énergie étant emportée par d’autres fragments dont la direction de vol est voisine. Dans le processus direct de production de photons au LO, les fragments du jet volent à l’azimuth opposé à celui du photon. Il en résulte qu’un photon direct est isolé de l’activité hadronique associée au processus dur, au contraire des pions° et photons de fragmentation qui sont, la plupart du temps, entourés par cette activité.

P 26 : La production des photons directs :
Les collisions inélastiques qui permettent la création de photons en collisions p-p s’écrivent : p + p donnent y + X où X dénote l’ensemble des autres particules produites dans la réaction. Ces photons sont émis directement des processus parton-parton durs : ils possèdent ainsi une grande impulsion transverse. La production de photons directs ne peut avoir lieu sans la présence d’un gluon. Le processus Compton comporte un gluon dans l’état initial, le processus d’annihilation un gluon dans l’état final.
La physique des gamma-jets avec le calorimètre EMCAL de l’expérience ALICE au LHC :
Les photons, insensibles à l’interaction forte qui domine ce milieu, sont une sonde intéressante pour l’étude du PQG. Les gamma-jets sont des processus durs et rares où un photon et un parton sont émis dos à dos. Le parton hadronise en une gerbe de particules appelée « jet » ou « jet quenching », atténuée par l’interaction forte du parton avec le PQG.
Notre travail consiste à utiliser le calorimètre EMCAL pour détecter un photon en corrélation avec un jet reconstruit dans la partie centrale d’ALICE, puis à comparer ces distributions en énergie pour des collisions p-p et Pb-Pb.

Après avoir lu quelques extraits de la thèse de Raphaëlle Ichou, imaginons que nous pénétrons, après collision de protons, dans un plasma de quarks gluons (PQG) et que nous y observons le comportement des photons.
Voyons sur l’œuvre : au centre sur fond rose et dans la première étoile entourée de gris, un proton et un anti proton entrent en collision : les quarks en billes jaunes et vertes et les gluons en lignes torsadées en vert, jaune et bleu marine sont éjectés hors des protons : ils sont dits déconfinés.
En allant vers l’extérieur dans la deuxième étoile rose entourée de la bordure grise, les photons prompts notés « y » sont représentés en lignes ondulatoires jaunes s’échappant du plasma. Ces photons prompts sont produits grâce à la présence d’un, gluon. Nous sommes maintenant en bas de l’œuvre et au milieu dans la partie verte : dans une pointe de l’étoile rose figure un pion° (quark et anti quark) dont la fragmentation va être symbolisée par plusieurs flèches jaunes dans la partie verte. Nous tournons en bas dans la partie verte en allant vers la gauche, nous croisons un photon en onde jaune ainsi que des quarks up et down en billes jaunes et rouges, en état déconfiné. En remontant lentement à gauche, un quark en rouge et un gluon noté g en rouge symbolisés dans un diagramme, vont produire un quark en jaune noté q dans la partie rose extérieure et un photon noté y en onde jaune dans la partie grise entourant le fond étoilé de couleur verte. Nous remontons à gauche dans cette partie verte, nous croisons à nouveau deux photons prompts en ondes jaunes. Nous arrivons devant un nouveau diagramme où un quark en bille jaune et un anti quark en bille rouge vont produire un photon y, qui traverse jusqu’à la bordure rose, ainsi que deux gluons en torsades vertes et bleu marine, eux aussi s’échappent dans la bordure rose. Après avoir croisé des gluons en jaune, rouge et bleu marine, nous voici en haut à gauche toujours dans la partie étoilée verte : à partir du pion° en billes rouge et jaune, une ligne jaune conduit à la production de deux photons notés y+ et y-, symbolisés en lignes ondulatoires jaunes dans la partie rose au bord de l’œuvre : ce sont les photons issus de la décroissance du pion°.

P 61 : 3.2 : rappels de cinématique de décroissance du pion° : à la figure 3.1, je trouve un schéma de variables cinématiques de la décroissance électromagnétique d’un pion° en deux photons. A partir de ce schéma, j’ai représenté de façon très simplifiée, les deux photons formant l’angle cos 12.

Nous tournons tout en haut dans la partie rose à gauche, nous rencontrons un photon prompt en onde jaune, à côté et au dessus des gluons en bleu marine et en vert ainsi que des quarks continuent leur « route ».
Continuons dans la partie étoilée verte en haut à gauche, nous croisons un photon prompt en onde jaune, à côté en rouge et jaune des gluons ainsi que des quarks en billes juanes et rouge se retrouvent dans un état déconfiné. Nous tournons vers la droite et nous croisons encore deux photons ; en dessous provenant du pion° dans l’étoile rose des jets s’échappent en flèches jaunes avec au milieu deux photons en ondes jaunes qui s’échappent dans la partie rose et arrivent au bord de la partie étoilée verte. Nous nous dirigeons vers la droite toujours dans la partie étoilée verte : un quark en jaune et un anti quark en rouge vont donner un pion° : il va ensuite se scinder en deux photons en ondes jaunes tout en haut dans la partie rose.
Redescendons à droite dans la partie étoilée verte : à partir d’un quark en rouge et d’un gluon en bleu marine, nous suivons la ligne jaune où un deuxième gluon en rouge est produit, et un peu plus haut c’est un photon prompt noté y qui s’échappe au bout de la ligne, tandis qu’un autre quark apparaît en vert sur fond rose, suivant une autre direction. Juste dessous à droite, un quark en bille jaune et un anti quark en bille rouge dans la partie étoilée verte, suivent chacun une ligne jaune : elles aboutissent à la production de gluons, l’un en vert et l’autre en une longue ligne torsadée bleu marine dans la partie rose au bord de l’œuvre ; au bout du gluon en vert, est produit un photon noté y en longue ligne ondulatoire jaune, ainsi que deux flèches jaunes symbolisant des jets.
Après avoir croisé un photon prompt et des gluons,nous continuons à redescendre à droite dans la partie étoilée verte : à nouveau le processus quark et anti quark en billes jaune et rouge aboutit à la formation d’un photon « y » qui s’échappe jusqu’au bord de l’œuvre dans la partie rose, tandis qu’un gluon s’échappe de l’autre côté en bleu marine. Entre temps un autre gluon rouge a été émis le long des lignes jaunes.
Nous continuons dans la partie étoilée verte à droite où nous sommes presque en bas de l’œuvre. Partant d’un pion°, une ligne jaune apparaît au bout de laquelle les deux photons produits ont un angle d’émission très étroit dans la partie rose tout au bord de l’œuvre. Un autre pion° en bas à droite dans la partie verte, produit dans la partie rose tout en bas à droite, deux photons en ondes jaunes, notés y- et y+ formant l’angle cos. 12. Ce sont les photons de décroissance.
Continuons tout en bas de l’œuvre à droite : dans la partie verte un quark en petite bille et un gluon en ligne torsadée bleu marine vont se rejoindre pour donner, dans la partie rose au bord de l’œuvre, un quark en bille verte et un photon « y » en ligne ondulatoire jaune.
Tout en bas à gauche dans la partie rose et issus de la décroissance du pion°, apparaissent deux photons « y » en lignes ondulatoires jaunes avec un angle d’émission très étroit. Nous continuons tout en bas à gauche en remontant légèrement, nous apercevons sur le fond rose un quark jaune et un anti quark vert, ils vont donner un photon en onde jaune et deux gluons notés « g » en lignes torsadées l’une rouge et l’autre verte, , ils s’échappent dans l’angle bleu marine.
A nouveau en remontant à gauche au bord de l’œuvre sur fond rose, deux photons « y » en ondes jaunes et issus de la décroissance d’un pion° énergétique, forment un angle d’émission très étroit. Nous continuons à remonter au bord de l’œuvre où nous rencontrons des photons prompts issus du plasma ainsi que quelques quarks et gluons. Nous sommes tout en haut dans l’angle gauche sur fond bleu marine, où nous rencontrons deux photons avec un angle d’émission étroit, tout deux issus du pion°. Le même processus apparaît en tournant vers la droite tout en haut dans la partie rose. Nous nous dirigeons tout en haut au bord de l’œuvre vers la droite et nous croisons quarks et gluons à l’état déconfiné ainsi que quelques photons.
Nous voici tout en haut à droite dans l’angle sur fond bleu marine, nous croisons à nouveau les deux photons notés « y » avec un angle d’émission très étroit et provenant du pion°. Nous redescendons au bord de l’œuvre à droite dans la partie rose parmi les quarks, gluons, et quelques photons en ondes jaunes et nous arrivons tout en bas à droite. Dans la partie rose, un quark en bille verte et un autre quark en bille jaunevont donner un photon sur fond gris et un gluon noté « g » en colori vert sur le fond bleu marine en bas de l’œuvre à droite, tandis qu’un autre gluon en ligne torsadée bleu marine apparaît sur la ligne jaune provenant des quarks.
Voici cette promenade au milieu des particules de lumière qui se termine ; à partir des collisions proton-proton, je pense que vous avez ainsi pu découvrir une observable intéressante de la production de photons, issus d’un plasma de quarks-gluons.