Experimental results on quarkonium a in heavy-ion - - PowerPoint PPT Presentation

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Experimental results on quarkonium a in heavy-ion collisions: (few) outstanding open ques>ons (and how to address them) Raphal Granier de

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SLIDE 1

Experimental ¡results ¡on ¡quarkonium ¡ in ¡heavy-­‑ion ¡collisions: ¡ ¡ (few) ¡outstanding ¡open ¡ques>ons ¡ (and ¡how ¡to ¡address ¡them) ¡

Raphaël ¡Granier ¡de ¡Cassagnac ¡ LLR ¡– ¡École ¡polytechnique ¡/ ¡IN2P3 ¡ ERC ¡grant ¡“QuarkGluonPlasmaCMS” ¡ ¡ ¡ SaporeGravi(s), ¡Dec. ¡10th ¡2014, ¡Padova ¡

a ¡

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Do ¡quarkonia ¡disappear ¡sequen>ally? ¡

  • Old ¡predicted ¡signature ¡of ¡the ¡QGP ¡

– Quarkonia ¡should ¡melt ¡one ¡aZer ¡the ¡

  • ther, ¡depending ¡on ¡their ¡binding ¡

energy ¡ – Example ¡of ¡mel>ng ¡temperatures ¡à ¡ ¡

  • In ¡an ¡ideal ¡world, ¡they ¡could ¡serve ¡as ¡

a ¡thermometer ¡of ¡the ¡plasma ¡

– With ¡one ¡grade ¡per ¡measured ¡ quarkonium… ¡ – Poten>ally ¡five ¡at ¡LHC: ¡ψ, ¡ψ’, ¡Y(1S), ¡ Y(2S), ¡Y(3S) ¡

10/12/2014 raphael@in2p3.fr - quarkonia - SaporeGravi(s) 2

Matsui ¡& ¡Satz, ¡ PLB168 ¡(1986) ¡415 ¡ Mocsy, ¡EPJC61 ¡(2009) ¡705 ¡

ϒ(1S) χb J/ψ, ϒ(2S) χc, χ’b, ψ', ϒ(3S)

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SLIDE 3

Do ¡we ¡have ¡a ¡thermometer? ¡ ¡

  • This ¡would ¡require: ¡

– A ¡good ¡theore>cal ¡control ¡of ¡the ¡ mel>ng ¡temperatures… ¡

  • (a ¡ques>on ¡for ¡theorists) ¡

– An ¡experimental ¡evidence ¡for ¡ steps ¡and ¡plateaus ¡in ¡the ¡ suppression ¡paeern ¡

  • (a ¡ques>on ¡for ¡this ¡talk) ¡

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Mocsy, ¡EPJC61 ¡(2009) ¡705 ¡

ϒ(1S) χb J/ψ, ϒ(2S) χc, χ’b, ψ', ϒ(3S)

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CHARMONIA: ¡J/Ψ, ¡Ψ’, ¡ΧC ¡ ¡ ¡

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Have ¡we ¡seen ¡these ¡steps? ¡Or ¡this ¡rise? ¡

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J/ψ ψ’ χC (a very popular cartoon that we should probably avoid showing…)

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SLIDE 6

Have ¡we ¡seen ¡these ¡steps? ¡Or ¡this ¡rise? ¡

  • Complica>on ¡#1: ¡Regenera>on… ¡ ¡

– At ¡high ¡energy, ¡copiously ¡produced ¡cc ¡pairs ¡could ¡ recombine ¡to ¡form ¡addi>onal ¡charmonia… ¡

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J/ψ ψ’ χC (a very popular cartoon that we should probably avoid showing…) More than 100 charm pairs in central PbPb @ 2.76 TeV

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SLIDE 7

How ¡many ¡J/ψ ¡from ¡higher ¡states? ¡

  • Complica>on ¡#2: ¡Feed-­‑down… ¡

– Knowing ¡the ¡frac>on ¡coming ¡from ¡higher ¡states ¡ ¡

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Woehri@Quarkonia’14 ¡ ≈ 10-30% from χC raising with pT (CDF measurement looking odd) ≈ 8% from ψ(2S) (≈ constant with √s and pT) (+ 10-40% BàJ/ψ raising with pT)

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Do ¡you ¡remember ¡SPS? ¡

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NA50, ¡EPJC49 ¡(2007) ¡559 ¡ This looks like the expected drop from a (unmeasured) χC with the ψ’ being much more fragile

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SLIDE 9

Do ¡you ¡remember ¡SPS? ¡

  • Complica>on ¡#3: ¡Cold ¡effects… ¡

– Also ¡suppress ¡quarkonia, ¡and ¡need ¡to ¡be ¡subtracted ¡

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NA50, ¡EPJC49 ¡(2007) ¡559 ¡

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LHC: ¡What ¡is ¡this ¡step+plateau ¡due ¡to? ¡

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ALICE, ¡PLB734 ¡(2014) ¡314 ¡ Maybe the best plateau

  • f heavy-ion history…

RAA within 0.1 units from 0 to 50% centrality (a factor of ≈10 in Ncoll) à PbPb @ LHC pure RAA (cold+hot effects)

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LHC: ¡What ¡is ¡this ¡step+plateau ¡due ¡to? ¡

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ALICE, ¡PLB734 ¡(2014) ¡314 ¡

? ?

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LHC: ¡What ¡is ¡this ¡step+plateau ¡due ¡to? ¡

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ALICE, ¡PLB734 ¡(2014) ¡314 ¡ PHENIX, ¡PRC84 ¡(2011) ¡054912 ¡

!

Three arguments in favour of regeneration 1/ Because J/ψ were more suppressed at RHIC! RHIC LHC à PbPb @ LHC

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Is ¡this ¡regenera>on? ¡

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ALICE, ¡PLB734 ¡(2014) ¡314 ¡ PHENIX, ¡PRC84 ¡(2011) ¡054912 ¡ CMS, ¡PLB734 ¡(2014) ¡314 ¡ STAR, ¡PLB722 ¡(2013) ¡55 ¡ ALICE CMS PHENIX STAR 2/ Because low pT less suppressed than high pT @LHC

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Why ¡is ¡the ¡J/ψ ¡azimuthally ¡asymmetric? ¡ ¡

  • Significant ¡v2 ¡at ¡low ¡

(ALICE) ¡& ¡high ¡(CMS) ¡pT ¡

– Need ¡more ¡data ¡ ¡ ¡to ¡ resolve ¡the ¡pT ¡ dependence ¡ ¡ – From ¡regenera>on ¡to ¡ path-­‑length ¡dependence ¡

  • f ¡J/ψ ¡suppression? ¡

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ALICE, ¡PRL111 ¡(2013) ¡1662301 ¡ CMS, ¡HIN-­‑12-­‑001 ¡ 3/ Because J/ψ flows at LHC?

More ¡data! ¡

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How ¡to ¡extrapolate ¡from ¡pPb ¡to ¡PbPb? ¡

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ALICE, ¡JHEP02 ¡(2014) ¡073 ¡ LHCb, ¡JHEP02 ¡(2014) ¡072 ¡ ¡ RAA(y) ≈ RpA(–y) x RpA(+y) (valid for shadowing, nuclear absorption, energy loss…) gives RAA ≈ 0.7 from cold effects, not that far from RAA… Ok for integrated yields, but might not work for pT dependence… (steeply falling spectrum, Cronin effect…) à Understand the pT and event-activity dependences first…

T h e

  • r

e t i c a l ¡ w

  • r

k ¡ ¡ & ¡ T

  • t

a l ¡

  • p

e n ¡ c h a r m ¡

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Why ¡is ¡J/ψ ¡suppression ¡mildly ¡depending ¡on ¡√s? ¡

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part

N

50 100 150 200 250 300 350 400

AA

R

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 , 1.2 <|y| < 2.2 µ µ → ψ J/

200 GeV 9.2% ± Global sys.= 62.4 GeV PHENIX data/our estimate 29.4% ± Global sys.= 39 GeV PHENIX data/FNAL data 19% ± Global sys.=

√

SPS=RHIC CuCu=AuAu=UU 39=62=200 GeV Back to RHIC and SPS RAA vs Npart

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Why ¡is ¡J/ψ ¡suppression ¡mildly ¡depending ¡on ¡√s? ¡

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part

N

50 100 150 200 250 300 350 400

AA

R

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 , 1.2 <|y| < 2.2 µ µ → ψ J/

200 GeV 9.2% ± Global sys.= 62.4 GeV PHENIX data/our estimate 29.4% ± Global sys.= 39 GeV PHENIX data/FNAL data 19% ± Global sys.=

√

SPS=RHIC CuCu=AuAu=UU 39=62=200 GeV Back to RHIC and SPS RAA vs Npart

At ¡LHC, ¡RAA ¡should ¡raise ¡with ¡√s ¡ (and ¡possibly ¡with ¡Npart) ¡ ¡ if ¡regeneration ¡is ¡at ¡play ¡ ¡

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THE ¡PECULIAR ¡Ψ’ ¡

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What ¡is ¡this ¡ψ’ ¡rise ¡due ¡to? ¡ ¡

  • Surprisingly ¡large ¡(ψ’/ψ)PbPb ¡/ ¡(ψ’/ψ)pp ¡ra>o… ¡
  • ψ’ ¡very ¡suppressed ¡at ¡high

¡ pT ¡(more ¡than ¡ψ) ¡

à ¡RAA(ψ’) ¡= ¡0.13 ¡± ¡0.05 ¡

– Sequen>al ¡mel>ng? ¡

  • Much ¡less ¡at ¡lower ¡pT ¡ ¡

à ¡RAA(ψ’) ¡= ¡0.67 ¡± ¡0.19 ¡

– Regenera>on? ¡ ¡

(Centrality-integrated RAA)

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CMS, ¡1410.1804, ¡accepted ¡by ¡PRL ¡

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Do ¡be ¡studied ¡ ¡ with ¡more ¡data ¡

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In ¡pA-­‑like ¡collisions, ¡why ¡is ¡the ¡ψ’ ¡so ¡fragile? ¡

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NA50, ¡EPJC49 ¡(2007) ¡559 ¡ PHENIX, ¡PRL111 ¡(2013) ¡202301 ¡ ALICE, ¡preliminary ¡ ¡

coll

N

2 4 6 8 10 12 14 16 18

' ψ dAu

R

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

' ψ 27.8% ± Global Sys Phys.Rev.Lett. 107, 142301 (2011) ψ J/ 14.6% ± Global Sys

=200 GeV d+Au

NN

s |y|<0.35

SPS RHIC LHC, Pb-going A rather dramatic suppression, as soon as one looks at density- related dependence…

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SAPORIBUS ¡GRAVIBUS ¡ THE ¡BOTTOMONIUM ¡FAMILY ¡ ¡

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Y(1S) Y(2S) Y(3S) p+p PbPb

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Do ¡boeomonia ¡disappear ¡sequen>ally? ¡

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A clear ordering of the three Y states, but no clear step-like pattern (Most peripheral bin is only 50-100%) Idea that this would be compatible with the direct Y(1S) not melting… RAA (Y(1S)) = 0.56 ± 0.08 ± 0.07 RAA (Y(2S)) = 0.12 ± 0.04 ± 0.02 RAA (Y(3S)) < 0.10 @ 95% CL + RAA (Y(1S)) = 0.30 ± 0.05 ± 0.04 (at forward rapidity) CMS, ¡PRL109 ¡(2012) ¡222301 ¡ ALICE, ¡PLB738 ¡(2014) ¡361 ¡

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But ¡how ¡many ¡Y(1S) ¡from ¡higher ¡states? ¡

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From RGdC’s SaporeGravis 2013 talk: (50.9 ± 8.2 ± 9.0)% of Y(1S) for pT > 8 GeV/c CDF, ¡PRL84 ¡(2000) ¡2094 ¡

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But ¡how ¡many ¡Y(1S) ¡from ¡higher ¡states? ¡

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Woehri@Quarkonia’14 ¡ LHCb, ¡EPJC74 ¡(2014) ¡3092 ¡ New results from LHC(b) ≈ 10-30% from χb(1P) raising with pT +5% from χb(2P) +1% from χb(3P) + 8% from Y(2S) + 1% from Y(3S) ≈ 30% at low pT From RGdC’s SaporeGravis 2013 talk: (50.9 ± 8.2 ± 9.0)% of Y(1S) for pT > 8 GeV/c CDF, ¡PRL84 ¡(2000) ¡2094 ¡

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Is ¡the ¡Y(1S) ¡resis>ng ¡at ¡RHIC? ¡

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CMS, ¡PRL109 ¡(2012) ¡222301 ¡ STAR, ¡PLB735 ¡(2014) ¡127 ¡

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In ¡pA ¡collisions, ¡is ¡the ¡Y(1S) ¡fragile? ¡

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ALICE: ¡1410.2234, ¡accepted ¡by ¡PLB ¡ LHCb: ¡JHEP ¡07(2014)094 ¡ RAA(y) ≈ RpA(–y) x RpA(+y) LHCB central values RAA ≈ 1 ALICE central values RAA ≈ 0,6 More data needed (CMS?)

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Are ¡the ¡Y(2S) ¡and ¡Y(3S) ¡fragile? ¡

  • Excited ¡states ¡less ¡suppressed ¡than ¡in ¡PbPb ¡ ¡
  • Excited/ground ¡state ¡ra>o ¡appears ¡to ¡vary ¡w.r.t. ¡the ¡pPb ¡

and ¡pp(!) ¡event ¡mul>plicity ¡(at ¡midrapidity) ¡

– Excited ¡states ¡adding ¡mul>plicity? ¡ – Ac>vity ¡suppressing ¡the ¡excited ¡states? ¡

Y(3S) Y(1S) pPb PbPb

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CMS: ¡JHEP04 ¡(2014) ¡103 ¡

Y(2S) Y(1S)

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Are ¡the ¡Y(2S) ¡and ¡Y(3S) ¡fragile? ¡

  • Excited ¡states ¡less ¡suppressed ¡than ¡in ¡PbPb ¡ ¡
  • Excited/ground ¡state ¡ra>o ¡appears ¡to ¡vary ¡w.r.t. ¡the ¡pPb ¡

and ¡pp(!) ¡event ¡mul>plicity ¡(at ¡midrapidity) ¡

– Excited ¡states ¡adding ¡mul>plicity? ¡ – Ac>vity ¡suppressing ¡the ¡excited ¡states? ¡

Midrapidity activity

Y(2S) Y(1S) Y(3S) Y(1S) Y(2S) Y(1S) Y(3S) Y(1S) pPb PbPb pp pPb

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CMS: ¡JHEP04 ¡(2014) ¡103 ¡

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Are ¡the ¡Y(2S) ¡and ¡Y(3S) ¡fragile? ¡

  • Excited ¡states ¡less ¡suppressed ¡than ¡in ¡PbPb ¡ ¡
  • Excited/ground ¡state ¡ra>o ¡appears ¡to ¡vary ¡w.r.t. ¡the ¡pPb ¡

and ¡pp(!) ¡event ¡mul>plicity ¡(at ¡midrapidity) ¡

– Excited ¡states ¡adding ¡mul>plicity? ¡ – Ac>vity ¡suppressing ¡the ¡excited ¡states? ¡

Midrapidity activity

Y(2S) Y(1S) Y(3S) Y(1S) Y(2S) Y(1S) Y(3S) Y(1S) pPb PbPb pp pPb

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CMS: ¡JHEP04 ¡(2014) ¡103 ¡

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More ¡study ¡of ¡ ¡ pp ¡data! ¡

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SUMMARY ¡

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Instead ¡of ¡ques>ons, ¡I ¡welcome ¡answers ¡J ¡

  • Do ¡quarkonia ¡disappear ¡sequen>ally? ¡
  • Do ¡we ¡have ¡a ¡thermometer? ¡
  • Have ¡we ¡seen ¡steps? ¡or ¡a ¡plateau? ¡or ¡a ¡rise? ¡ ¡
  • How ¡many ¡ground ¡states ¡from ¡excited ¡states? ¡
  • How ¡to ¡extrapolate ¡from ¡RpA ¡to ¡RAA? ¡
  • Why ¡is ¡the ¡J/ψ ¡azimuthally ¡asymmetric? ¡
  • Why ¡is ¡J/ψ ¡suppression ¡mildly ¡depending ¡on ¡√s? ¡
  • In ¡AA, ¡what ¡is ¡the ¡ψ’ ¡rise ¡due ¡to? ¡ ¡
  • In ¡pA, ¡why ¡is ¡the ¡ψ’ ¡so ¡fragile? ¡
  • Is ¡the ¡Y(1S) ¡resis>ng ¡at ¡RHIC? ¡At ¡LHC? ¡ ¡
  • In ¡pA ¡and ¡pp, ¡are ¡the ¡Y(2S) ¡and ¡Y(3S) ¡fragile? ¡

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SLIDE 32

Instead ¡of ¡ques>ons, ¡I ¡welcome ¡answers ¡J ¡

  • Do ¡quarkonia ¡disappear ¡sequen>ally? ¡
  • Do ¡we ¡have ¡a ¡thermometer? ¡
  • Have ¡we ¡seen ¡steps? ¡or ¡a ¡plateau? ¡or ¡a ¡rise? ¡ ¡
  • How ¡many ¡ground ¡states ¡from ¡excited ¡states? ¡
  • How ¡to ¡extrapolate ¡from ¡RpA ¡to ¡RAA? ¡
  • Why ¡is ¡the ¡J/ψ ¡azimuthally ¡asymmetric? ¡
  • Why ¡is ¡J/ψ ¡suppression ¡mildly ¡depending ¡on ¡√s? ¡
  • In ¡AA, ¡what ¡is ¡the ¡ψ’ ¡rise ¡due ¡to? ¡ ¡
  • In ¡pA, ¡why ¡is ¡the ¡ψ’ ¡so ¡fragile? ¡
  • Is ¡the ¡Y(1S) ¡resis>ng ¡at ¡RHIC? ¡At ¡LHC? ¡ ¡
  • In ¡pA ¡and ¡pp, ¡are ¡the ¡Y(2S) ¡and ¡Y(3S) ¡fragile? ¡

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Discuss ¡as ¡much ¡ as ¡possible ¡ ¡ at ¡SaporeGravis! ¡

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SLIDE 33

BACK-­‑UP ¡SLIDES ¡

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RpPb(J/ψ) ¡

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B ¡à ¡J/ψ ¡

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SLIDE 36

RpPb(J/ψ) ¡vs ¡pT ¡and ¡event ¡ac>vity ¡

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backward-y mid-y forward-y

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Feeding ¡down ¡the ¡Y(1S) ¡ ¡

  • Not ¡well ¡known, ¡two ¡measurements ¡at ¡high ¡pT: ¡

– CDF ¡@ ¡1.8 ¡TeV, ¡pT ¡> ¡8 ¡GeV, ¡|η| ¡< ¡0.7 ¡

à(50.9 ¡± ¡8.2 ¡± ¡9.0)% ¡of ¡Y(1S) ¡coming ¡from ¡feeddown ¡

  • (27.1 ¡± ¡6.9 ¡± ¡4.4)% ¡from ¡χb(1P) ¡à ¡ϒ(1S) ¡γ ¡(measured) ¡
  • (10.5 ¡± ¡4.4 ¡± ¡1.4)% ¡from ¡χb(2P) ¡à ¡ϒ(1S) ¡γ ¡(measured) ¡
  • (10.7 ¡+7.7

–4.8 ¡)% ¡from ¡ϒ(2S) ¡à ¡ϒ(1S) ¡ππ ¡(σ ¡x ¡BR) ¡

  • (0.8 ¡+0.6

–0.4 ¡)% ¡from ¡ϒ(3S) ¡à ¡ϒ(1S) ¡ππ ¡(σ ¡x ¡BR) ¡

  • < ¡6% ¡from ¡χb(3P) ¡(then ¡unobserved) ¡à ¡ϒ(1S) ¡γ ¡

– LHCb ¡@ ¡7.0 ¡TeV, ¡6 ¡< ¡pT ¡< ¡15 ¡GeV, ¡2.5 ¡< ¡y ¡< ¡4.0 ¡

  • (20.7 ¡± ¡5.7 ¡± ¡2.5 ¡–5.4

+2.7)% ¡from ¡χb(1P) ¡à ¡ϒ(1S) ¡γ ¡ ¡ ¡

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CDF, ¡PRL84 ¡(2000) ¡2094 ¡ LHCb, ¡JHEP11 ¡(2012) ¡031 ¡ From ¡SaporeGravis ¡2013 ¡ ¡

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How ¡many ¡Y(1S) ¡from ¡higher ¡states? ¡

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Woehri@Quarkonia’14 ¡

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ψ’ ¡ ¡

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ALICE / CMS

  • ld / new

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Boeomonia ¡vs ¡Charmonia ¡

  • One ¡major ¡drawback ¡

– About ¡200 ¡>mes ¡less ¡Y(1S)àμμ ¡than ¡J/ψàμμ ¡ ¡

  • A ¡few ¡advantages, ¡in ¡the ¡thermometer ¡context ¡

– Theorists ¡prefer ¡heavier ¡stuff ¡ – Less ¡regenera>on ¡ ¡

  • More ¡than ¡100 ¡charm ¡pairs ¡in ¡central ¡PbPb ¡@ ¡2.76 ¡TeV ¡
  • Typically ¡20 ¡>mes ¡less ¡beauty ¡(was ¡200 ¡at ¡RHIC) ¡

– Y(1S) ¡should ¡be ¡the ¡most ¡plasmaproof ¡(lowest ¡grade) ¡ – No ¡feed-­‑down ¡from ¡open ¡flavours, ¡only ¡from ¡higher ¡ boeomonia ¡(in ¡par>cular ¡χb) ¡ – Three ¡states ¡close ¡in ¡produc>on ¡x ¡branching ¡ra>o ¡

  • 7 ¡/ ¡2 ¡/ ¡1 ¡(in ¡pp ¡collisions ¡at ¡7 ¡TeV) ¡
  • While ¡ψ/ψ’ ¡is ¡more ¡like ¡50 ¡/ ¡1 ¡ ¡

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Numbers ¡extracted ¡from ¡various ¡ALICE, ¡CMS ¡and ¡LHCb ¡publications ¡

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Y(1S) ¡vs ¡y ¡and ¡pT ¡from ¡CMS+ALICE ¡

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From ¡ALICE ¡preliminary ¡result, ¡based ¡on ¡the ¡second ¡PbPb ¡run ¡and ¡pp ¡intrapola>on: ¡ The ¡suppression ¡is ¡not ¡localised ¡at ¡midrapidity ¡ CMS, ¡JHEP05 ¡(2012) ¡063 ¡ ALICE, ¡preliminary ¡

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Five ¡grades? ¡

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CMS ¡@ ¡QM’12 ¡

Forgetting low pT J/ψ and ψ’ (regeneration?) for a while… RAA(MB) vs binding energy looks ordered… TBD with more data vs centrality and unfolding cold effects (pA) & feeddown Could they start acting as a thermometer? Watch out for pT…

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SLIDE 43

More ¡on ¡Y ¡in ¡pp ¡and ¡pA ¡ ¡

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vs transverse energy in the forward direction vs #tracks at midrapidity, extending far away to PbPb

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An ¡epitaph ¡for ¡our ¡review? ¡ Causa ¡plasma, ¡ad ¡dirumpendo ¡et ¡mutando ¡saporem ¡gravem ¡

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