Measurement of $ψ(2S)$ to $J/ψ$ cross-section ratio as function of multiplicity in $p$Pb collisions at$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV

Die LHCb-Kollaboration misst das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von $\psi(2S)$ zu $J/\psi$ in Abhängigkeit von der Multiplicität in $p$Pb-Kollisionen bei $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV und beobachtet eine Unterdrückung der prompten Produktion in Pb-Richtung, die auf zusätzliche Mechanismen jenseits von Comover-Effekten und möglicherweise auf die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas hindeutet.

Das Wesentliche

Das große Experiment: Ein Autounfall im Kleinen und Großen

Stellen Sie sich vor, Sie beobachten einen sehr speziellen Autounfall. Normalerweise lassen wir Autos (Protonen) frontal aufeinanderprallen. Aber in diesem Experiment lassen wir ein schnelles Auto (ein Proton) gegen einen riesigen, schweren Lastwagen (ein Bleikern) prallen.

Das Ziel ist nicht, den Unfall zu reparieren, sondern zu verstehen, was passiert, wenn diese beiden Dinge kollidieren. Besonders interessant ist, was mit den „Sitzpolstern" passiert, die bei diesem Crash herausfliegen. In der Welt der Teilchenphysik sind diese Polster Charmonium-Teilchen (speziell $J/\psi$ und $\psi(2S)$).

Die zwei Arten von Polstern

Es gibt zwei Arten von Sitzpolstern, die wir untersuchen:

1. Die „Prompten" (Sofortigen): Diese entstehen direkt im Moment des Aufpralls. Sie sind wie Polster, die sofort aus dem Airbag geschleudert werden.
2. Die „Non-Prompten" (Verspäteten): Diese entstehen erst später, wenn ein schwereres Teilchen (ein B-Hadron) zerfällt. Das ist, als würde ein Polster erst Sekunden nach dem Crash aus einer anderen Kiste fallen.

Der Trick mit dem Vergleich

Die Wissenschaftler messen nicht einfach nur, wie viele Polster herausfliegen. Das wäre zu langweilig und von vielen Faktoren abhängig. Stattdessen machen sie einen cleveren Vergleich: Sie zählen, wie viele große, lockere Polster ($\psi(2S)$) im Verhältnis zu kleinen, stabilen Polstern ($J/\psi$) herauskommen.

• Die Analogie: Stellen Sie sich vor, Sie werfen eine Kiste mit Wattebällen (groß und locker) und eine Kiste mit Steinchen (klein und fest) durch einen engen Tunnel voller Hindernisse.
• Wenn der Tunnel leer ist, kommen beide gut durch.
• Wenn der Tunnel aber voller anderer Autos und Trümmern ist (hohe „Multiplizität" oder Teilchendichte), werden die lockeren Wattebälle viel eher zerrissen oder zerstört als die festen Steinchen.

Die Wissenschaftler schauen also: Verschwinden die lockeren Wattebälle schneller, je mehr Trümmer im Tunnel sind?

Die zwei Fahrtrichtungen (Das „Vorwärts"- und „Rückwärts"-Problem)

Das Experiment wurde in zwei Richtungen durchgeführt, was wie das Fahren auf einer Autobahn ist:

1. pPb (Proton trifft auf Blei): Das Proton kommt von vorne, das Blei von hinten. Der „Schwerlastwagen" (Blei) ist also im Rückwärtsgang.
2. Pbp (Blei trifft auf Proton): Das Blei kommt von vorne, das Proton von hinten. Hier fährt der Schwerlastwagen direkt auf das Proton zu.

Was haben sie herausgefunden?

Hier wird es spannend, denn die Ergebnisse sind unterschiedlich, je nachdem, aus welcher Richtung man schaut:

1. Wenn das Proton vorne ist (pPb):
Hier verhält es sich wie erwartet. Je mehr Trümmer (Teilchen) im Tunnel sind, desto mehr der lockeren Wattebälle ($\psi(2S)$) verschwinden im Vergleich zu den Steinchen.

• Bedeutung: Das ist ein klassischer Effekt. Die lockeren Teilchen werden von der Umgebung „zerstört". Das kennen wir schon.

2. Wenn das Blei vorne ist (Pbp):
Hier passiert etwas Seltsames. Auch wenn es im Tunnel voller Trümmer ist, verschwinden die lockeren Wattebälle nicht mehr im Vergleich zu den Steinchen. Das Verhältnis bleibt gleich.

• Die Überraschung: Eigentlich sollte es hier sogar noch schlimmer sein, weil das Blei (der Schwerlastwagen) mehr „Schrott" mit sich bringt. Aber es ist ruhig.

3. Der Vergleich mit dem „Quark-Gluon-Plasma" (QGP):
In riesigen Kollisionen (wie Blei gegen Blei) entsteht ein extrem heißer, dichter „Suppe"-Zustand, das Quark-Gluon-Plasma. In dieser Suppe werden lockere Teilchen sofort aufgelöst.

• Die Ergebnisse zeigen: Im Pbp-Fall (Blei vorne) verhalten sich die Teilchen so, als wären sie in einer kleinen Version dieser heißen Suppe. Es gibt einen zusätzlichen Mechanismus, der die lockeren Teilchen unterdrückt, der über das einfache „Zerreißen durch Trümmer" hinausgeht.
• Im pPb-Fall (Proton vorne) ist dieser Effekt nicht so stark oder gar nicht vorhanden.

Die große Erkenntnis

Die Wissenschaftler haben eine Art Übergang entdeckt.

• Wenn das Proton vorne ist, ist es wie ein kleiner Unfall auf der Straße (kleines System).
• Wenn das Blei vorne ist, verhält es sich plötzlich wie ein riesiger Stau auf der Autobahn (großes System), bei dem eine Art „Flüssigkeit" entsteht, die alles verschluckt.

Das ist wichtig, weil es zeigt, dass man auch in kleinen Kollisionen (Proton gegen Blei) Bedingungen schaffen kann, die denen in riesigen Kollisionen (Blei gegen Blei) ähneln. Es ist, als würde man in einem kleinen Wasserglas Wellen beobachten, die so stark sind wie in einem Ozean.

Zusammenfassung in einem Satz

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Art und Weise, wie kleine Teilchen in einem Kollisionsexperiment verschwinden, davon abhängt, ob das schwere Blei vorne oder hinten ist – und wenn das Blei vorne ist, deutet alles darauf hin, dass sich dort kurzzeitig ein winziger, extrem heißer „Feuerball" (Quark-Gluon-Plasma) bildet, der die lockeren Teilchen verschlingt.

Technische Zusammenfassung

Titel: Messung des Verhältnisses der Wirkungsquerschnitte von $\psi(2S)$ zu $J/\psi$ als Funktion der Multiplicität in $p$Pb-Kollisionen bei $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV

1. Problemstellung und physikalischer Hintergrund

Die Untersuchung der Produktion schwerer Quarkonia (wie Charmonium-Zustände $J/\psi$ und $\psi(2S)$) dient als wichtiger Sondenmechanismus für das Verständnis der Quantenchromodynamik (QCD) unter extremen Bedingungen. In Schwerionenkollisionen wird die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP) erwartet, das zur Unterdrückung (Suppression) von Quarkonium-Zuständen führt (z. B. durch Debye-Abschirmung).

In Proton-Proton ($pp$)-Kollisionen wird keine QGP-Bildung erwartet. In Proton-Kern ($pA$)-Kollisionen, wie hier in Proton-Blei ($p$Pb), treten jedoch komplexe Effekte auf:

• Kaltkernmaterie-Effekte: Partonenenergieverlust, Gluon-Sättigung und Modifikation der Parton-Verteilungsfunktionen (nPDFs).
• Endzustandseffekte: Wechselwirkung mit "Comovern" (mitfliegenden Teilchen), die zur Dissoziation locker gebundener angeregter Zustände (wie $\psi(2S)$) führen können.
• QGP-ähnliche Effekte: Es besteht die Hypothese, dass auch in kleinen Kollisionssystemen bei hoher Multiplicität kurzlebige QGP-Tropfen entstehen könnten, die zusätzliche Unterdrückungsmechanismen verursachen.

Das Ziel dieser Studie ist es, das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von $\psi(2S)$ zu $J/\psi$ als Funktion der geladenen Teilchen-Multiplicität zu messen. Da $\psi(2S)$ lockerer gebunden ist als $J/\psi$, ist es empfindlicher gegenüber Dissoziationsmechanismen. Ein Vergleich der Vorwärts- ($p$-Richtung) und Rückwärts-Richtung ($Pb$-Richtung) ermöglicht es, zwischen verschiedenen Unterdrückungsmechanismen zu unterscheiden.

2. Methodik und Datenanalyse

• Datenbasis: Die Analyse basiert auf Daten des LHCb-Experiments aus dem Jahr 2016.
  • Kollisionskonfigurationen: $p$Pb (Proton auf Blei) und $Pbp$ (Blei auf Proton).
  • Schwerpunktsenergie: $\sqrt{s_{NN}} = 8,16$ TeV.
  • Integrierte Luminosität: $13,6 \text{ nb}^{-1}$ für $p$Pb und $20,8 \text{ nb}^{-1}$ für $Pbp$.
  • Der erste Buchstabe im Namen der Konfiguration bezeichnet den Strahl, der in Vorwärtsrichtung ($+z$) zum Detektor läuft.
• Rekonstruktion:
  • $J/\psi$ und $\psi(2S)$ werden über ihren Zerfall in Dimuonen ($\mu^+\mu^-$) rekonstruiert.
  • Messbereich: Vorwärts ($1,5 < y^* < 4,0$) für $p$Pb und Rückwärts ($-5,0 < y^* < -2,5$) für $Pbp$.
  • Impulsbereich: $0,3 < p_T < 14,0$ GeV/c.
• Unterscheidung Prompt/Non-Prompt:
  • Prompt: Direkt in der harten Streuung produziert.
  • Non-Prompt: Entstanden aus dem Zerfall von $b$-Hadronen.
  • Unterscheidung erfolgt über die Pseudo-Lebensdauer $t_z$ mittels eines zweidimensionalen Maximum-Likelihood-Fits über die Masse ($m_{\mu\mu}$) und $t_z$.
• Multiplicitäts-Metriken:
  • Die Multiplicität wird durch die Anzahl der Spuren ($N_{tracks}^{PV}$), sowie Spuren in Vorwärts- ($N_{fwd}^{PV}$) und Rückwärtsrichtung ($N_{bwd}^{PV}$) relativ zum primären Vertex (PV) definiert.
  • Die Messung der Multiplicität erfolgt in verschiedenen rapiditätsbasierten Regionen, um Korrelationen zwischen der Multiplicitätsmessung und der Charmonium-Produktion zu variieren.
• Effizienzkorrektur: Die gemessenen Ausbeuten werden für Akzeptanz, Rekonstruktion, Teilchenidentifikation (PID) und Trigger-Effizienz korrigiert. Das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte wird normiert, um Branching-Fractions und Luminositätseffekte zu eliminieren.

3. Wichtige Beiträge und Ergebnisse

Die Studie liefert erstmals eine detaillierte Aufschlüsselung des $\psi(2S)/J/\psi$-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Multiplicität für beide Strahlkonfigurationen ($p$Pb und $Pbp$) und trennt dabei prompte von nicht-prompten Quellen.

• Prompte Produktion in $p$Pb (Proton-Richtung):
  • Es wird ein deutlicher Abfall des normierten $\psi(2S)/J/\psi$-Verhältnisses mit steigender Multiplicität beobachtet.
  • Die Nullhypothese eines konstanten Verhältnisses wird stark verworfen ($p$-Wert $< 5 \times 10^{-6}$).
  • Ein linearer Fit ergibt eine negative Steigung, was auf eine stärkere Unterdrückung des $\psi(2S)$ bei höherer Dichte hindeutet.
• Prompte Produktion in $Pbp$ (Blei-Richtung):
  • Im Gegensatz dazu zeigt sich in der $Pbp$-Konfiguration keine signifikante Abhängigkeit von der Multiplicität. Das Verhältnis bleibt über den gesamten Multiplicitätsbereich weitgehend konstant.
  • Dies steht im Kontrast zu $pp$-Kollisionen (wo ein ähnlicher Abfall wie in $p$Pb beobachtet wird) und ähnelt eher dem Verhalten in schweren $PbPb$-Kollisionen, wo die Unterdrückung durch QGP dominiert wird.
• Nicht-prompte Produktion:
  • Für beide Konfigurationen ($p$Pb und $Pbp$) zeigt sich keine Multiplicitätsabhängigkeit für die nicht-prompten Quellen. Dies ist erwartungsgemäß, da die Produktion von $b$-Hadronen über die Multiplicitätsbins hinweg ähnlich skaliert und sich im Verhältnis aufhebt.
• Asymmetrie und Multiplicitätsregion:
  • Die Abhängigkeit ist am stärksten, wenn die Multiplicität in derselben Rapiditätsregion wie das Charmonium gemessen wird ($N_{fwd}^{PV}$).
  • Wird die Multiplicität in der entgegengesetzten Richtung gemessen ($N_{bwd}^{PV}$), ist der Abfall in $p$Pb weniger ausgeprägt, aber immer noch vorhanden. Dies deutet darauf hin, dass Comover-Effekte eine Rolle spielen, aber nicht die einzige Ursache sind.

4. Signifikanz und Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse haben weitreichende Implikationen für das Verständnis von Kollisionssystemen:

1. Hinweis auf QGP-ähnliche Effekte: Das Fehlen einer Multiplicitätsabhängigkeit in der $Pbp$-Konfiguration (Blei-Richtung), kombiniert mit der starken Unterdrückung in $p$Pb, legt nahe, dass in der Blei-Richtung zusätzliche Unterdrückungsmechanismen wirken, die über reine Comover-Effekte hinausgehen. Dies könnte auf die Bildung eines kleinen, kurzlebigen Quark-Gluon-Plasmas (QGP) in hoch-multipleten $p$Pb-Kollisionen hindeuten.
2. Übergang von kleinen zu großen Systemen: Die Beobachtung einer Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie markiert einen Übergang zwischen dem Verhalten in kleinen Systemen ($pp$, $p$-Richtung) und großen Systemen ($PbPb$, $Pb$-Richtung). Die $Pbp$-Kollisionen scheinen physikalische Bedingungen zu schaffen, die denen in Schwerionenkollisionen ähnlicher sind als die $p$Pb-Kollisionen.
3. Mechanismen der Unterdrückung: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in der Proton-Richtung Comover-Effekte dominieren, während in der Blei-Richtung (hohe Baryonendichte) zusätzliche Mechanismen (möglicherweise QGP) die Unterdrückung des $\psi(2S)$ verstärken, sodass keine weitere Multiplicitätsabhängigkeit mehr sichtbar ist (da die Unterdrückung bereits bei niedrigeren Multiplicitäten saturiert oder dominant ist).

Zusammenfassend liefert diese Arbeit entscheidende Einblicke in die Dynamik der Charmonium-Unterdrückung in Proton-Kern-Kollisionen und unterstützt die Hypothese, dass QGP-ähnliche Phänomene auch in kleinen Kollisionssystemen unter bestimmten Bedingungen (hohe Multiplicität, spezifische Strahlkonfiguration) auftreten können.