Dans les expériences de collision de particules, les interactions de particules élémentaires avec un grand transfert de momentum produisent des quarks et des gluons (appelés partons) dont l’évolution est régie par la force forte, telle que décrite par la théorie de la chromodynamique quantique. Ces partons émettent ensuite d’autres partons dans un processus qui peut être décrit comme une pluie de partons et qui aboutit à la formation de hadrons détectables. L’étude de la configuration de la pluie de partons est l’un des principaux outils expérimentaux permettant de tester la chromodynamique quantique. Ce modèle devrait dépendre de la masse du parton initiateur, par le biais d’un phénomène connu sous le nom d’effet de cône mort. Aujourd’hui, les physiciens de la collaboration ALICE au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont réalisé la première observation directe de ce phénomène fondamental. En plus de confirmer cet effet, l’observation fournit un accès expérimental direct à la masse d’un seul quark charme avant qu’il ne soit confiné à l’intérieur des hadrons.
Un quark charmant (c) dans une pluie de partons perd de l’énergie en émettant un rayonnement sous forme de gluons (g). La douche présente un cône mort de rayonnement supprimé autour du quark pour des angles inférieurs au rapport de la masse (m) et de l’énergie (E) du quark. L’énergie diminue à chaque étape de la pluie. Crédit image : Daniel Dominguez / CERN.
Les quarks et les gluons, appelés collectivement partons, sont produits lors de collisions de particules telles que celles qui ont lieu au Grand collisionneur de hadrons.
Après leur création, les partons subissent une cascade d’événements appelée douche de partons, au cours de laquelle ils perdent de l’énergie en émettant un rayonnement sous la forme de gluons, qui émettent également des gluons.
Le modèle de rayonnement de cette douche dépend de la masse du parton émetteur de gluons et présente une région autour de la direction de vol du parton où l’émission de gluons est supprimée – le cône mort.
Prévu il y a 30 ans à partir des premiers principes de la théorie de la force forte, le cône mort a été indirectement observé dans les collisionneurs de particules.
Cependant, il est resté difficile de l’observer directement à partir du modèle de rayonnement de la pluie de partons.
Les principales raisons en sont que le cône mort peut être rempli de particules dans lesquelles le parton émetteur se transforme, et qu’il est difficile de déterminer la direction changeante du parton tout au long du processus de la gerbe.
Les physiciens de la collaboration ALICE ont surmonté ces difficultés en appliquant des techniques d’analyse de pointe à un grand échantillon de collisions proton-proton au Grand collisionneur de hadrons.
Ces techniques permettent de faire remonter la pluie de partons dans le temps à partir de ses produits finaux – les signaux laissés dans le détecteur ALICE par une gerbe de particules appelée jet.
En recherchant les jets qui incluent une particule contenant un quark de charme, les chercheurs ont pu identifier un jet créé par ce type de quark et retracer toute l’histoire des émissions de gluons de ce quark.
Une comparaison entre le modèle d’émission de gluons du quark de charme avec celui des gluons et des quarks pratiquement sans masse a ensuite révélé un cône mort dans le modèle du quark de charme.
Le résultat expose aussi directement la masse du quark charmant, car la théorie prévoit que les particules sans masse n’ont pas de cônes morts correspondants.
“Le cône mort est un phénomène fondamental de la chromodynamique quantique, dicté par les masses non nulles des quark, dont l’observation expérimentale directe est restée jusqu’à présent insaisissable”, ont déclaré les chercheurs.
“Cette mesure permet de mieux comprendre l’influence des effets de masse sur les propriétés du jet et fournit des contraintes pour les modèles de Monte Carlo.”
“Ces résultats ouvrent la voie à une étude de la dépendance de la masse de l’effet de cône mort, en mesurant le cône mort des jets de beauté marqués avec un hadron de beauté reconstruit.”
“Une étude future de l’effet cône mort dans les collisions d’ions lourds, dans lesquelles les partons interagissent fortement avec le milieu chaud de chromodynamique quantique qui est formé et subissent une perte d’énergie par rayonnement induit par le milieu, est également envisagée”, ont-ils ajouté.
“Si un cône mort était observé pour ces émissions induites par le milieu, ce serait une confirmation de la compréhension théorique du rayonnement de la chromodynamique quantique dans le milieu, qui est un outil primaire utilisé pour caractériser la phase à haute température de la chromodynamique quantique.la chromodynamique compte.”
“Les masses des quark sont des constantes fondamentales du modèle standard de la physique des particules et sont nécessaires pour tous les calculs numériques dans son cadre”, ont-ils ajouté.
“En raison du confinement, leurs valeurs sont généralement déduites par leur influence sur les observables hadroniques. Une exception est le quark top, qui se désintègre avant de pouvoir s’hadroniser, car sa masse peut être contrainte expérimentalement à partir de la reconstruction directe des états finaux de la désintégration.”
“En accédant à la cinématique du quark de charme douchant, avant l’hadronisation, et en découvrant directement l’effet de cône mort, notre mesure fournit une sensibilité directe à la masse des quarks de charme quasi libres, avant qu’ils ne se lient en hadrons.”
“En outre, de futures mesures de haute précision utilisant cette technique sur des jets marqués de charme et de beauté, potentiellement en conjonction avec des outils d’apprentissage automatique pour séparer les émissions de quark et de gluon, pourraient contraindre expérimentalement la magnitude des masses des quark.”
Les résultats ont été publiés dans le numéro du 19 mai 2022 de la revue. Nature.
