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

Este estudio presenta la medición de la relación de secciones eficaces entre $\psi(2S)$ y $J/\psi$ en función de la multiplicidad en colisiones $p$Pb a 8.16 TeV, revelando una dependencia en la producción prompt que sugiere mecanismos de supresión adicionales, posiblemente relacionados con la formación de plasma de quarks y gluones, en la dirección del plomo.

Lo esencial

¡Claro que sí! Imagina que este artículo científico es como un reportaje de detectives que investiga qué sucede cuando dos vehículos de tamaños muy diferentes chocan a velocidades increíbles.

Aquí tienes la explicación de lo que hicieron los científicos del CERN (LHCb), traducida a un lenguaje sencillo y con analogías creativas:

1. El Escenario: Una Carrera de Choques

Imagina que el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) es una pista de carreras gigante.

• Los coches: En lugar de coches normales, usan protones (partículas pequeñas, como canicas) y núcleos de plomo (partículas grandes, como camiones de mudanza llenos de arena).
• El choque: Hicieron chocar un "proton" contra un "plomo" (y viceversa) a una velocidad casi de la luz.
• El objetivo: Querían ver qué pasaba con unas "mariposas" muy especiales llamadas quarkonium (específicamente dos tipos: el J/ψ y el ψ(2S)).

2. Las "Mariposas" (Los Quarkoniums)

Para entenderlo mejor, imagina dos tipos de mariposas que nacen en el choque:

• La Mariposa J/ψ: Es una mariposa fuerte y resistente. Sus alas están muy bien pegadas a su cuerpo.
• La Mariposa ψ(2S): Es una mariposa débil y frágil. Sus alas están apenas pegadas; es como si estuviera hecha de papel de seda.

La pregunta clave: ¿Qué pasa con estas mariposas cuando chocan los coches? ¿Sobreviven ambas por igual o la frágil se rompe antes?

3. El Experimento: Mirando desde dos ángulos

Los científicos hicieron el experimento de dos formas, como si cambiaran la dirección del viento:

1. Caso A (pPb): El "proton" (canica) va hacia adelante y choca contra el "plomo" (camión). El detector mira hacia donde va el plomo. Aquí, el ambiente es muy denso, como si estuvieras en medio de una multitud apretada.
2. Caso B (Pbp): El "plomo" (camión) va hacia adelante y choca contra el "proton" (canica). El detector mira hacia donde va el plomo. Aquí, la densidad de partículas es aún mayor, como si el camión dejara un rastro de escombros enorme.

4. La Sorpresa: El Efecto de la "Multitud"

Los científicos midieron cuántas mariposas sobrevivían en función de cuánta gente (partículas) había en el choque.

• En el caso normal (pPb): Cuando había mucha gente (alta multiplicidad), la mariposa frágil (ψ(2S)) empezaba a desaparecer más rápido que la fuerte. Era como si, en una multitud apretada, la mariposa de papel de seda se rompiera por el roce con la gente (un efecto llamado "comovers" o compañeros de viaje).
• En el caso especial (Pbp): Aquí ocurrió algo mágico y extraño. En la dirección donde iba el camión de plomo, la mariposa frágil desaparecía muchísimo más de lo esperado, incluso cuando la gente no era tan densa como para romperla solo por roce.

5. La Gran Revelación: ¿Un "Océano" en miniatura?

Aquí es donde entra la analogía más divertida.

Imagina que el choque crea un charco de agua hirviendo (llamado Plasma de Quarks y Gluones o QGP).

• En los choques pequeños (protones), normalmente no se cree que haya suficiente calor para hacer agua hirviendo. Se pensaba que solo había "viento" (partículas que rozan).
• Pero en el caso Pbp (camión hacia adelante): Los resultados sugieren que, en esa dirección, el choque fue tan violento y denso que sí se formó un pequeño "charco de agua hirviendo".
• La mariposa frágil (ψ(2S)) se disolvió en ese charco hirviendo, mientras que la fuerte (J/ψ) pudo resistir un poco más.

6. ¿Por qué es importante?

Este descubrimiento es como encontrar un puente entre dos mundos:

1. Mundo Pequeño: Choques simples (protones) donde solo hay viento.
2. Mundo Gigante: Choques enormes (plomo contra plomo) donde siempre hay agua hirviendo (QGP).

El paper dice: "¡Oigan! Incluso en un choque 'pequeño' (proton-plomo), si miramos en la dirección correcta (hacia el plomo), podemos crear un mini-plasma de quarks y gluones".

Resumen en una frase

Los científicos descubrieron que cuando un camión de plomo choca contra una canica, en la dirección del camión se crea un mini-universo de fuego tan intenso que destruye las partículas más débiles, demostrando que incluso en choques pequeños se pueden crear condiciones extremas similares a las del Big Bang.

¡Es como descubrir que puedes hacer hervir agua en una taza de té si la agitas lo suficientemente rápido!

Resumen técnico

1. Planteamiento del Problema

La producción de quarkonia pesados (estados ligados de quark-antiquark, como el charmonium) es una sonda fundamental para entender la Cromodinámica Cuántica (QCD) y la formación de materia nuclear densa.

• Contexto: En colisiones de iones pesados (como PbPb), se espera la formación de un Plasma de Quarks y Gluones (QGP), que suprime la producción de quarkonia excitados (como el ψ(2S)) más que los estados fundamentales (J/ψ) debido a efectos de apantallamiento de Debye.
• El Desafío en Sistemas Pequeños: Recientemente se ha observado que en colisiones protón-protón (pp) y protón-nucleo (pPb) de alta multiplicidad también se manifiestan supresiones similares, lo que sugiere la posible formación de gotas de QGP efímeras o la presencia de otros mecanismos de supresión (como efectos de "comovers" o partículas co-movientes).
• Objetivo Específico: Determinar si la supresión del estado excitado ψ(2S) respecto al J/ψ en colisiones pPb depende de la multiplicidad de partículas cargadas y si existe una asimetría significativa entre las direcciones del haz de protones (p-going) y del haz de plomo (Pb-going). Esto permitiría distinguir entre efectos de materia nuclear fría y posibles efectos de QGP.

2. Metodología

El análisis se basa en datos recopilados por el experimento LHCb en 2016 durante el funcionamiento del LHC.

• Datos y Configuración:

  • Energía en el centro de masas: $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV.
  • Dos configuraciones de haz: pPb (protón hacia adelante, plomo hacia atrás) y Pbp (plomo hacia adelante, protón hacia atrás).
  • Luminosidad integrada: $13.6 \text{ nb}^{-1}$ para pPb y $20.8 \text{ nb}^{-1}$ para Pbp.
  • Rango de rapidez en el centro de masas ($y^*$): $1.5 < y^* < 4.0$ (pPb) y $-5.0 < y^* < -2.5$ (Pbp).

• Selección de Eventos y Reconstrucción:

  • Se reconstruyen los mesones $J/\psi$ y $\psi(2S)$ a través de su desintegración en pares de muones ($\mu^+\mu^-$).
  • Se aplican criterios estrictos de selección en línea (trigger) y fuera de línea (offline), incluyendo requisitos de momento transversal ($p_T > 0.9$ GeV/c) y calidad de identificación de partículas (PID).
  • Separación Prompt vs. No-Prompt: Se utiliza el tiempo de vida pseudo-decay ($t_z$) para distinguir entre:
    • Prompt: Producidos directamente en la interacción dura ($t_z \approx 0$).
    • No-prompt: Originados de la desintegración de hadrones con quark $b$ ($b$-hadrones), que tienen una vida media mayor.

• Variables de Multiplicidad:

  • Se define la densidad de partículas cargadas utilizando tres métricas basadas en el número de trazas reconstruidas en el vértice primario ($N^{PV}_{tracks}$):
    1. $N^{PV}_{tracks}$: Total de trazas.
    2. $N^{PV}_{fwd}$: Trazas en la dirección del haz de protones (hacia adelante).
    3. $N^{PV}_{bwd}$: Trazas en la dirección opuesta (hacia atrás).
  • Estas variables se normalizan respecto a la multiplicidad media en datos sin sesgo.

• Extracción de Señal y Corrección:

  • Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud no binned en 2D sobre la masa invariante ($m_{\mu\mu}$) y el tiempo pseudo-decay ($t_z$).
  • Se corrigen las eficiencias de detección, reconstrucción, identificación y trigger, utilizando simulación Monte Carlo (Pythia/EPOS) ponderada con datos reales (técnica sPlot).

3. Contribuciones Clave

• Primera medición detallada de la asimetría p-Pb vs Pb-p: El estudio cuantifica sistemáticamente cómo la supresión del ψ(2S) varía dependiendo de si el detector mira hacia la dirección del protón o del plomo.
• Separación de fuentes: Al analizar por separado la producción prompt y no-prompt, se aíslan los efectos de la materia nuclear y el QGP (que afectan principalmente a los estados prompt) de los efectos de la producción de quarks $b$.
• Análisis de dependencia de multiplicidad: Se establece una correlación directa entre la densidad de materia producida en la colisión y la relación de secciones eficaces, proporcionando una prueba de la transición de sistemas pequeños a grandes.

4. Resultados Principales

• Producción No-Prompt:

  • No se observa ninguna dependencia significativa de la relación $\sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi)$ con la multiplicidad en ninguna de las configuraciones (pPb o Pbp). Esto es consistente con la expectativa de que los efectos de supresión final no afectan significativamente a los hadrones $B$ en este contexto.

• Producción Prompt en Configuración pPb (Protón hacia adelante):

  • Se observa una disminución clara y significativa de la relación normalizada a medida que aumenta la multiplicidad ($N^{PV}_{tracks}$ y $N^{PV}_{fwd}$).
  • El ajuste lineal arroja una pendiente negativa con una significancia estadística superior a $5\sigma$ ($p_1 = -0.281 \pm 0.057$).
  • Este comportamiento es consistente con las observaciones en colisiones pp y sugiere que los mecanismos de supresión (como los efectos de comovers) dominan en esta dirección.

• Producción Prompt en Configuración Pbp (Plomo hacia adelante):

  • Resultado Sorprendente: No se observa una dependencia significativa de la multiplicidad en la relación de secciones eficaces. La relación permanece constante dentro de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas.
  • La pendiente del ajuste lineal es compatible con cero ($p_1 = -0.055 \pm 0.054$).
  • Este comportamiento es similar al observado en colisiones PbPb (donde la supresión es fuerte pero la dependencia de multiplicidad puede saturarse o comportarse de forma diferente) y contrasta fuertemente con el comportamiento en pPb y pp.

• Asimetría Forward-Backward:

  • Existe una asimetría pronunciada: la supresión del ψ(2S) es fuerte en la dirección del protón (p-going) pero ausente en la dirección del plomo (Pb-going) en colisiones pPb.
  • Cuando se mide la multiplicidad en la dirección opuesta a la del quarkonio ($N^{PV}_{bwd}$), la dependencia de la multiplicidad se atenúa, lo que sugiere que los efectos de comovers (que dependen de la proximidad espacial) juegan un papel, pero no explican completamente la ausencia de supresión en la dirección Pb.

5. Significado e Implicaciones

• Evidencia de Mecanismos Adicionales: La ausencia de supresión dependiente de la multiplicidad en la dirección Pb-going (Pbp) sugiere que, además de los efectos de comovers (que explicarían la supresión en pPb), existen mecanismos adicionales de supresión o protección que actúan en sistemas con mayor densidad de bariones.
• Posible Formación de QGP: Los autores proponen que la dirección Pb-going en colisiones pPb podría estar creando condiciones más similares a las de un sistema grande (PbPb), donde la formación de una gota de QGP o efectos de materia nuclear caliente podrían estar presentes, alterando la dinámica de supresión observada en sistemas pequeños.
• Transición de Sistemas: Estos resultados marcan un punto crucial en la comprensión de la transición entre colisiones de sistemas pequeños (pp, pPb) y grandes (PbPb). La asimetría observada indica que la densidad de bariones y la dirección del haz son factores críticos para determinar si se forman condiciones de QGP en colisiones asimétricas.
• Validación Teórica: Los resultados desafían los modelos puramente basados en efectos de materia nuclear fría y comovers, impulsando la necesidad de incluir dinámicas de QGP en sistemas pequeños para explicar la física observada en la dirección del plomo.

En resumen, este trabajo demuestra que la supresión del charmonio en colisiones pPb no es un fenómeno uniforme, sino que depende críticamente de la dirección de observación y la densidad de materia, ofreciendo una nueva ventana para investigar la formación de plasma de quarks y gluones en sistemas de tamaño reducido.