Polarisation du J/psi en collisions pp a sqrt(s) = 7 TeV avec le spectromètre à muons d'ALICE au LHC

J/ψ polarization in pp collisions at √s = 7 TeV with the ALICE muon spectrometer at the LHC

Livio Bianchi (1)

1 IPNO - Institut de Physique Nucléaire d'Orsay

Quarkonium hadroproduction is a long standing puzzle which tests the ability of particle physicists to describe colour interactions. Even if the structure of quantum chromodynamics (QCD) is well established and inspired to quantum electrodynamics (QED), its differences with respect to the latter make the theoretical description of hadron properties very difficult.Many models and effective field theories have been proposed in order to describe heavy quarkonia production, but none of them have been able to predict different observables in a reliable way. In particular, nonrelativistic QCD (NRQCD) succeeded in describing quarkonia cross sections at the Tevatron, but failed in predicting the degree of polarization of the J/psi. On the other hand, the color-singlet model (CSM) had slightly better results from the polarization side, but had problems with the magnitude and differential shapes of the cross sections.The startup of the LHC at CERN provides a very important experimental opportunity in solving these problems. Indeed, the big jump in energy with respect to Tevatron leads to much higher heavy-quarks cross sections than in the past and, moreover, the very good performances of the LHC experiments allow to perform delicate analysis.ALICE is the LHC experiment dedicated to the study of the dense and hot matter produce in ultrarelativistic heavy ions collisions: the quark gluon plasma (QGP). During the first two years of data taking it showed very good performance in the detection of J/psi, both in PbPb and pp collisions.In this thesis, the polarization measurement of J/psi inclusively produced in pp collisions at a center of mass energy of 7 TeV is presented. The analysis was performed on almost 80% of the statistics collected by the ALICE forward muon spectrometer during 2010. It was based on the extraction of the angular distribution of the muons coming from the J/psi decay. The results obtained with this study represent the first measurement of quarkonia polarization at the LHC and they offer the possibility to test the theoretical models in a more than three times higher energy regime with respect to Tevatron. A first comparison with recent theoretical calculations is also presented in this document.

La production hadronique des Quarkonia est un puzzle de longue date, qui teste la capacité des physiciens des particules à décrire les interactions de couleur. Même si la structure de la chromodynamique quantique (QCD) est bien définie et inspirée par l’électrodynamique quantique (QED), les différences par rapport à cette dernière rendent très difficile la description théorique des propriétés des hadrons.Un grand nombre de modèles et de théories effectives des champs ont été proposés pour décrire la production de quarkonia lourds, mais aucune n'a réussi à prédire, de façon fiable, différentes observables. En particulier, la QCD non relativiste (NRQCD) est arrivée à décrire les sections efficaces des quarkonia au Tevatron, mais a failli pour la prédiction du degré de polarisation du J/psi. Par contre, le modèle singulet de couleur (CSM: Color Singlet Model) présentait des résultats légèrement meilleurs du coté de la polarisation mais avait des problèmes avec la normalisation et la forme des sections efficaces différentielles.Le démarrage du LHC au CERN est une excellente opportunité expérimentale pour résoudre ces problèmes. En effet le saut en énergie, par rapport au Tevatron, permet d'avoir des sections efficaces de quarks lourds bien plus élevées que dans le passé, de plus les performances excellentes des expériences LHC nous permettent de procéder à des analyses difficiles.ALICE est l’expérience du LHC dédiée à l’étude de la matière dense et chaude produite dans les collisions d’ions lourds ultra-relativistes : le plasma de quarks et de gluons (PQG). Pendant les deux premières années de prises de données, elle a montré des performances excellentes pour la détection des J/psi, aussi bien en collisions PbPb qu’en collisions pp.Dans cette thèse est présenté la mesure de la polarisation de J/psi inclusif, produits dans les collisions pp à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. L’analyse a été effectuée sur presque 80% de la statistique recueillie par le spectromètre à muons d’ALICE en 2010. Elle a été basée sur l’extraction de la distribution angulaire des muons provenant de la désintégration du J/psi.Les résultats obtenus par cette étude représentent la première mesure de la polarisation des quarkonia au LHC et offrent la possibilité de tester les modèles théoriques dans un régime d’énergie plus de trois fois supérieur à celui du Tevatron.Une première comparaison avec les derniers calculs théoriques est également présentée dans cette thèse.

Mots clés: LHC; ALICE; Muon spectrometer; J/psi; QGP; Quarkonia; Polarization

Mots clés: Polarisation; LHC; ALICE; Spectromètre à muons; J/psi; PQG; Quarkonia

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Livio Bianchi. Polarisation du J/psi en collisions pp a sqrt(s) = 7 TeV avec le spectromètre à muons d'ALICE au LHC. Other [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI; Università di Torino (Turin, Italie), 2012. English. ⟨NNT : 2012PA112037⟩. ⟨tel-00688321⟩