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Exposing the parton-hadron transition within jets with energy-energy correlators in pp collisions at $\sqrt{\textit s}=5.02$ TeV

Este artículo presenta una medición completamente corregida del correlador energía-energía (EEC) dentro de chorros en colisiones pp a $\sqrt{s}=5.02$ TeV, revelando una región de transición distintiva que marca el inicio de la hadronización e identifica una escala de energía común para este proceso, al tiempo que demuestra un buen acuerdo con los cálculos de QCD perturbativa en el régimen de gran ángulo y proporciona restricciones para los generadores de eventos de Monte Carlo.

Autores originales: ALICE Collaboration

Publicado 2026-09-29

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CC BY 4.0

Autores originales: ALICE Collaboration

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En el corazón de un acelerador de partículas, donde los protones chocan casi a la velocidad de la luz, la naturaleza realiza una transformación violenta. Cuando estos diminutos paquetes de energía colisionan, se fragmentan en una lluvia de fragmentos aún más pequeños llamados quarks y gluones. Estos fragmentos son los bloques fundamentales de la materia, pero no pueden existir aislados por mucho tiempo. Casi instantáneamente, comienzan a irradiar energía y a dividirse, creando una cascada de nuevas partículas. A medida que esta lluvia se expande, la energía de los fragmentos originales se dispersa hasta que las partículas se ven obligadas a unirse en objetos compuestos estables conocidos como hadrones, como los protones y los piones. Este paso final, donde la energía que flota libremente se bloquea en materia sólida, es un proceso llamado hadronización. Es un momento crucial en la vida de una colisión de partículas, pero sigue siendo uno de los más difíciles de comprender porque las fuerzas involucradas son tan complejas que las herramientas matemáticas estándar a menudo fallan al describirlas.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de observar esta transición en tiempo real, de ver exactamente dónde la división suave y predecible de las partículas da paso a la unión caótica de los hadrones. Para lograr esto, los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones centraron su atención en una medición específica llamada correlador de energía-energía. En lugar de observar partículas individuales, este método rastrea cómo la energía de dos partículas se relaciona con el ángulo entre ellas. Al medir esta relación a través de un chorro (jet) de partículas, los científicos pueden mapear el flujo de energía desde la división inicial de alta velocidad hasta el cúmulo final de materia de movimiento lento. Es una forma de trazar la trayectoria de la energía a medida que se mueve desde el reino de la física de alta velocidad hacia el reino donde las partículas se adhieren entre sí.

En un estudio reciente, la colaboración ALICE en el CERN utilizó este método para examinar chorros producidos en colisiones protón-protón a una energía de 5.02 billones de electronvoltios. El equipo se centró en chorros que contienen partículas cargadas con un rango específico de momento, observando de cerca cómo cambiaba la correlación de energía a medida que variaba el ángulo entre los pares de partículas. Descubrieron que el comportamiento de estos chorros cambia drásticamente dependiendo de la distancia entre las partículas. Cuando las partículas están alejadas, la correlación de energía sigue un patrón predecible que coincide con los cálculos basados en las leyes conocidas de la física de partículas. Esta región representa la etapa temprana del chorro, donde las partículas todavía se están dividiendo libremente. Sin embargo, cuando los investigadores observaron partículas que estaban muy cerca unas de otras, el patrón cambió. En este espacio reducido, la correlación creció en una línea recta, una señal de que las partículas ya no actuaban como fragmentos libres, sino que estaban siendo moldeadas por las fuerzas que las unen en hadrones.

Entre estos dos comportamientos distintos se encuentra una zona de transición, una ventana estrecha donde la física del chorro cambia de un modo al otro. Los investigadores identificaron un pico claro en los datos que marca este punto de inflexión. Sorprendentemente, cuando ajustaron los resultados según la energía total del chorro, este pico apareció exactamente en la misma ubicación para todos los diferentes niveles de energía probados. Esta consistencia sugiere que existe una escala universal para el momento en que la energía que fluye libremente deja de dividirse y comienza a bloquearse en la materia. El pico ocurrió en una distancia angular que corresponde a una escala de energía específica de aproximadamente 2.43 GeV/c dividida por el momento del chorro. Este hallazgo implica que el proceso de hadronización ocurre en un umbral de energía característico, independientemente de cuánta energía haya tenido el chorro original.

Para asegurar que estas observaciones fueran reales y no solo un artefacto del detector, el equipo comparó sus resultados con simulaciones computacionales sofisticadas que modelan cómo deberían comportarse las partículas. Probaron diferentes versiones de estas simulaciones, cada una utilizando diferentes supuestos sobre cómo las partículas se rompen y se unen. Si bien las simulaciones coincidieron generalmente con los datos, mostraron diferencias sutiles en el lugar exacto donde aparecía el pico de transición. Algunos modelos colocaron el pico en ángulos ligeramente diferentes, revelando que los detalles del proceso de hadronización siguen siendo sensibles a las reglas específicas utilizadas en los modelos computacionales. Este desajuste proporciona una nueva herramienta poderosa para los físicos: al medir exactamente dónde ocurre la transición en el mundo real, ahora pueden perfeccionar sus teorías para describir mejor cómo la naturaleza construye la materia a partir de la energía.

El estudio representa un avance significativo porque es la primera vez que esta medición específica ha sido completamente corregida por las limitaciones del detector en un régimen de tan baja energía en el Gran Colisionador de Hadrones. Las mediciones anteriores a menudo se centraban en energías más altas o dejaban algunos efectos del detector sin corregir, lo que puede emborronar los detalles finos de la transición. Al contabilizar cuidadosamente cómo el detector ve las partículas, el equipo de ALICE pudo revelar la forma limpia y subyacente del flujo de energía. Los resultados confirman que la transición de partículas libres a materia ligada no es un desenfoque gradual, sino un evento distinto con una ubicación predecible. Esta claridad permite a los científicos sondear las fuerzas fundamentales del universo con mayor precisión, ofreciendo una nueva ventana al momento en que lo invisible se vuelve visible.

Problema y Motivación
Los jets sirven como sondas poderosas para estudiar la Cromodinámica Cuántica (QCD), codificando información tanto sobre la cascada de partones perturbativa como sobre el proceso no perturbativo de hadronización. Si bien se han estudiado diversos observables de la subestructura de jets para desentrañar estas dinámicas, el Correlador Energía-Energía (EEC, por sus siglas en inglés) ofrece un enfoque distinto. El EEC se centra en la función de correlación del flujo de energía dentro de los jets en función de la distancia angular. Es seguro ante infravermelos y colineales (IRC), lo que permite cálculos de QCD perturbativa (pQCD) de alta precisión, siendo simultáneamente sensible a efectos no perturbativos como el confinamiento en escalas angulares pequeñas. Mediciones previas de EECs se han realizado en colisiones $e^+e^-$ y por el experimento CMS en colisiones $pp$ a momentos transversales de jet ( $p_T$ ) más altos. Sin embargo, faltaba una medición completamente corregida de los EEC de jets en el régimen de bajo $p_T$ en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este régimen es crucial para examinar la transición entre el desdoblamiento de partones perturbativo y la hadronización no perturbativa, ya que el rango angular accesible se extiende desde el dominio perturbativo hasta el no perturbativo.

Metodología
La Colaboración ALICE analizó datos de colisiones $pp$ de eventos mínimos (minimum bias) recolectados a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 5.02$ TeV en 2017, lo que corresponde a una luminosidad integrada de $18.0 \pm 0.4$ nb $^{-1}$ . Las partículas cargadas se reconstruyeron utilizando el Sistema de Seguimiento Interno (ITS) y la Cámara de Proyección Temporal (TPC) dentro del barril central ( $|\eta| < 0.9$ ). Los jets se reconstruyeron utilizando el algoritmo anti- $k_T$ con un parámetro de radio $R=0.4$ mediante el paquete FastJet.

El observable EEC, $\Sigma_{EEC}(R_L)$ , se definió como una función de correlación de dos partículas ponderada por energía que depende de la distancia angular $R_L$ entre pares de partículas dentro de un jet. La medición se realizó para jets de partículas cargadas en tres intervalos de momento transversal: $20 < p_{T}^{ch\ jet} < 40$ , $40 < p_{T}^{ch\ jet} < 60$ , y $60 < p_{T}^{ch\ jet} < 80$ GeV/ $c$ . Para reducir el impacto del evento subyacente (underlying event), solo se incluyeron en el cálculo del EEC constituyentes de partículas cargadas con $p_{T,track} > 1$ GeV/ $c$ .

Los efectos del detector, incluyendo la resolución de momento y angular de las trazas, la eficiencia y el efecto de "fusión de trazas" (donde trazas muy cercanas son reconstruidas incorrectamente), se evaluaron utilizando simulaciones de PYTHIA 8 (ajuste Monash) propagadas a través de un modelo GEANT3 del detector ALICE. En lugar de un despliegue (unfolding) completo, se aplicó una corrección bin por bin en dos dimensiones, comparando la información a nivel de generador y a nivel de detector. Un control cruzado mediante despliegue Bayesiano confirmó la robustez de este enfoque. Las incertidumbres sistemáticas se evaluaron respecto a las eficiencias de traza única y de par, la dependencia del generador y el método de corrección, resultando en una incertididad total de menos del 4% para la mayor parte del rango medido de $R_L$ .

Resultos Clave
Las distribuciones de $\Sigma_{EEC}$ completamente corregidas exhiben tres regiones distintas como función de $R_L$ :

Región Perturbativa (Gran $R_L$ ): Los datos muestran una dependencia que escala aproximadamente como $1/R_L$ , consistente con cálculos de pQCD de siguiente orden logarítmico (NLL).
Región de Transición: Se observa una estructura de pico ancha, que marca el cruce donde las contribuciones perturbativas disminuyen y los efectos de hadronización comienzan a dominar.
Región No Perturbativa (Pequeña $R_L$ ): Los datos exhiben una dependencia lineal con $R_L$ , consistente con una población de partículas producidas de forma espacialmente uniforme a partir de la hadronización.

Un hallazgo significativo es el comportamiento de escalamiento del pico de transición. Cuando las distribuciones se normalizan y se grafican contra la variable escalada $\langle p_{T}^{ch\ jet} \rangle R_L$ , los datos de los diferentes bins de $p_T$ del jet colapsan en una curva común. El pico de esta región de transición se localiza en una escala de energía común definida por la relación:
$R_L^{peak} = \frac{2.43 \pm 0.14 \text{ GeV}/c}{\langle p_{T}^{ch\ jet} \rangle}$
Esto indica una escala de energía universal para la transición parteón-hadrón, independiente de la energía del jet. La altura del pico también sigue una relación de escalamiento proporcional a $\langle p_{T}^{ch\ jet} \rangle / \ln \langle p_{T}^{ch\ jet} \rangle$ .

Las comparaciones con generadores de eventos de Monte Carlo (PYTHIA 8, Herwig 7 y Sherpa) muestran que los modelos describen generalmente los datos dentro de un 20% en todo el rango medido. Sin embargo, se observan diferencias en la posición y altura del pico de transición entre los modelos que emplean diferentes mecanismos de hadronización (por ejemplo, cuerda de Lund frente a hadronización de cúmulos/cluster). Específicamente, la región de transición en Herwig 7 (cluster) aparece a ángulos más pequeños en comparación con PYTHIA 8 (string), y el ajuste AHADIC de Sherpa (cluster) se desvía significativamente de los datos a ángulos pequeños en comparación con su ajuste de Lund.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera medición de EEC completamente corregida en jets en el LHC dentro de un régimen cinemático de bajo $p_T$ ($20-80 $GeV/$ c$). La principal significancia radica en la observación experimental de la región de transición parteón-hadrón dentro de los jets. La identificación de una escala de transición común, donde la ubicación del pico está dada por $2.43 \pm 0.14$ GeV/ $c$ dividido por el $p_T$ promedio del jet, proporciona una base cuantitativa para la escala de energía donde la radiación de QCD cesa y el confinamiento toma el control.

El autor establece que estos resultados proporcionan una nueva perspectiva sobre la evolución de los jets, cerrando la brecha entre los desdoblamientos perturbativos y el confinamiento de partones. Las mediciones sirven como una restricción para los generadores de Monte Carlo de vanguardia, particularmente en lo que respecta a los mecanismos de cascada de partones y hadronización. Además, el artículo postula que este estudio establece una línea base para investigaciones futuras sobre los efectos de los medios nucleares fríos y calientes en la formación y propagación de jets, que pueden explorarse utilizando EECs en colisiones protón-núcleo y núcleo-núcleo. El autor señala modestamente que, si bien los datos restringen los modelos, las predicciones teóricas basadas en primeros principios para el proceso de hadronización no perturbativo siguen siendo desafiantes, y que futuros desarrollos en QCD de red (lattice QCD) y computación cuántica pueden ser necesarios para mejoras adicionales.

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