In the framework of perturbative quantum chromodynamics I study the effect of parton energy loss in cold nuclear matter on the nuclear attenuation of quarkonium production in proton-nucleus (p-A) collisions.
The first part of the study is devoted to the derivation of parton energy loss in various kinematical situations. In particular, special attention is paid to the case of an energetic parton crossing a nuclear target and being scattered to small angle. In this case the radiative energy loss is shown to be proportional to the parton energy, which may have crucial consequences on phenomenology. Indeed, at high energy and not too low xF, quarkonium production in p-A collisions can be described, at the partonic level, as the propagation of a color octet heavy quark-antiquark pair through the target, losing energy as a gluon.
In a second part, I develop a phenomenological model to study the effect of such energy loss on J/psi nuclear suppression. The main assumption of the model is to express the xF-differential J/psi cross section in p-A collisions simply as that in p-p, with a shift in xF accounting for the energy loss through the nucleus. The model is then generalized to implement the Cronin effect, by taking into account the shift in pT due to transverse momentum broadening in the nucleus. The comparison between the model and the experimental data for J/psi nuclear suppression at various collision energies and for various nuclei appears to be very satisfactory.
Dans le cadre du projet ANR «Superconformal Yang-Mills theories», 2007-2010, (E. Sokatchev du LAPP Annecy, G. Korchemsky de l'Université Paris-Sud et A. Smilga à SUBATECH), nous avons étudié divers problèmes qui relèvent de la dynamique des théories supersymétriques ou des théories définies par des lagrangiens avec dérivées d'ordre supérieur. En particulier, nous avons montré qu'un certain modèle supersymétrique avec interaction non triviale et dérivées supérieures est bien unitaire, malgré la présence de "fantômes" (i.e., malgré l'absence d'état fondamental dans le spectre).
Nous avons également étudié les théories "crypto-hermitiennes" (théories où le hamiltonien semble être non-hermitien, mais où le spectre est néanmoins réel). Nous avons récemment vérifié les prédictions de dualité entre la théorie des cordes et les théories de jauge supersymétriques dans un certain modèle de mécanique quantique. Une autre étude a trait à l’indice de Witten dans les théories de Chern-Simons-Yang-Mills supersymétriques, que nous avons obtenu par un calcul direct microscopique, retrouvant le résultat obtenu par Witten en utilisant la technique conforme.
Dans le cadre d’une collaboration In2p3 – Dubna sur les modèles de mécanique quantique supersymétrique (E. Ivanov et B. Zupnik, Dubna; A.Smilga et M. Konyushikhin, SUBATECH), nous avons réussi à construire des modèles de nouveau genre qui décrivent le mouvement d’une particule dans un champ électromagnétique autodual. On a aussi généralisé ce modèle pour les champs de jauge non-abéliens.
Le mécanisme de production du \( J/\psi \) dans les collisions élémentaires proton-proton n'est pas encore bien compris, et l’atténuation nucléaire du \( J/\psi \) dans les collisions p-A, paramétrée par \( R_{pA} \equiv \sigma_{pA}/A \sigma_{pp} \), pourrait constituer une observable supplémentaire pour démêler les différents modèles. Comprendre la suppression du \( J/\psi \) en p-A est aussi une condition sine qua non avant d'utiliser la production de \( J/\psi \) dans les collisions AA comme un signal du plasma de quarks et de gluons.
La physique de la suppression nucléaire du J/psi dépend de façon cruciale de la cinématique considérée. Lorsque le temps d’hadronisation du \( J/\psi \) thadro est beaucoup plus petit que la taille nucléaire \(L\), la suppression nucléaire provient de la section efficace d’absorption sigmaabs de l’état lié totalement formé dans le noyau. Lorsque \( t_{hadro} \gg L \), ce qui se propage à travers le noyau est une paire ccbar compacte et octet de couleur, et sigmaabs devient un paramètre non pertinant. Dans ce dernier domaine, les données de suppression nucléaire du \( J/\psi \) à différentes énergies de collision peuvent être expliquées dans un modèle simple [1, 2] basé sur la perte d'énergie partonique et dépendant d’un seul paramètre libre qhat. Dans la figure, les données E866 [3] en p-W (à gauche) et p-Fe (à droite) sont comparées au modèle de perte d'énergie (voir Ref. [1]).
La présence d'une grande perte d'énergie partonique (induite par le milieu) associée à la production de \( J/\psi \) peut être comprise comme suit. A grand \( x_F \), le rayonnement de gluon nécessaire à la neutralisation de couleur de la paire ccbar doit être assez mou par conservation de l'énergie, et la paire ccbar reste donc octet de couleur pendant un temps relativement long. En conséquence, à grand \( x_F \) le sous-processus partonique de hadroproduction du \( J/\psi \) ressemble à la diffusion à petit angle d'une charge de couleur. Le spectre de rayonnement associé est similaire au spectre de Bethe-Heitler (plus exactement à son analogue non-abélien) d'une charge asymptotique, et dépend de l’impulsion transverse qperp transférée à la charge. Le qperp typique est plus important en collisions p-A qu’en collisions p-p du fait de l’élargissement en impulsion transverse \( \Delta q_\perp^2 = \hat{q} L\). Le spectre de rayonnement induit par le milieu qui en résulte est similaire au spectre de Bethe-Heitler avec \( q_\perp^2\) remplacé par \( \Delta q_\perp^2\) [2], et la perte d'énergie (moyenne) est proportionnelle à l'énergie du quarkonium, \( \Delta E \propto E \). C’est la raison essentielle de l'augmentation rapide de la suppression (c'est-à-dire de la diminution de \( R_{pA} \) ) quand \( x_F \) augmente.
En résumé, l'étude de la Réf. [1] suggère que la perte d'énergie partonique est un effet dominant dans la suppression du \( J/\psi \) en collisions p-A. Ce scenario pourra bientôt être testé dans les collisions p-A au LHC.
Références
[1] F. Arleo and S. Peigné, arXiv:1204.4609 [hep-ph].
[2] F. Arleo, S. Peigné and T. Sami, Phys. Rev. D 83 (2011) 114036.
[3] M. J. Leitch et al. [FNAL E866/NuSea Collaboration], Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 3256.
Thierry 1