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Multiplicity dependence of K $^*(892)^{\pm}$ production in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Este artículo presenta las primeras mediciones de la producción de K $^*(892)^{\pm}$ en colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV en función de la multiplicidad de eventos, revelando una supresión significativa de 7 $\sigma$ en la relación de rendimiento K $^*(892)^{\pm}$ /K $_{\rm S}^0$ en eventos de alta multiplicidad que es bien descrita por el modelo EPOS-LHC sin afterburners hadrónicos.

Autores originales: ALICE Collaboration

Publicado 2026-09-25

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CC BY 4.0

Autores originales: ALICE Collaboration

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el corazón del Gran Colisionador de Hadrones, donde los protones chocan entre sí a velocidades cercanas a la de la luz, los físicos intentan comprender cómo el universo se construye a sí mismo desde sus cimientos. Cuando estas diminutas partículas colisionan, crean una sopa efímera y supercaliente de bloques fundamentales llamados quarks y gluones. A medida que esta sopa se enfría, se congela en las partículas estables que componen el mundo que nos rodea, como los protones y los neutrones. Sin embargo, la transición de esta sopa caliente a la materia sólida no es instantánea. Existe una etapa intermedia, breve y caótica, donde las partículas rebotan unas con otras, intercambiando energía y cambiando de dirección antes de finalmente asentarse. Para estudiar esta etapa intermedia, los científicos buscan partículas específicas de vida corta que actúan como mensajeros. Estos mensajeros nacen, viajan durante una fracción de segundo y luego decaen en otras partículas. Al medir cuántos de estos mensajeros sobreviven al viaje, los investigadores pueden deducir cuánto duró la etapa intermedia caótica y qué tan concurrida estuvo.

Un investigador que utiliza el detector ALICE en el CERN ha analizado ahora más de cerca a uno de esos mensajeros, una partícula conocida como K-star, en colisiones entre protones. Aunque los protones son mucho más pequeños que los núcleos atómicos pesados que suelen ser chocados en estos experimentos, observaciones recientes sugieren que incluso en estas colisiones diminutas podría formarse una versión similar, aunque más pequeña, de esa sopa caliente. El equipo se centró en cómo cambia la producción de estas partículas K-star cuando las colisiones son más concurridas frente a cuando son menos concurridas. Encontraron que en las colisiones de protones más concurridas, el número de estos mensajeros de vida corta disminuye significativamente en comparación con una partícula más estable llamada K-zero. Esta caída es una señal clara de que los productos de desintegración de la K-star están siendo dispersados por otras partículas en la zona de la colisión, impidiendo que la K-star sea reconstruida posteriormente. Esta observación proporciona la primera evidencia clara de una supresión significativa de la relación K-star a K-zero en sistemas de colisión pequeños, un hallazgo que se suma a la investigación en curso sobre si tal comportamiento complejo, típicamente asociado con colisiones de iones pesados masivos, también puede ocurrir en sistemas más pequeños.

El investigador analizó datos de miles de millones de colisiones de protones que ocurrieron a una energía de centro de masa de 13 tera-electrón-voltios. Clasificaron estos eventos en diferentes grupos basados en cuántas partículas cargadas se produjeron, que variaban desde colisiones dispersas con muy pocas partículas hasta colisiones extremadamente concurridas con muchas. Para cada grupo, reconstruyeron las partículas K-star buscando sus productos de desintegración: un pion cargado y una partícula K-zero neutral. Debido a que la K-star vive tan poco tiempo, no puede verse directamente; en su lugar, el científico tuvo que recomponerla a partir de las trazas dejadas por sus descendientes. También midieron la producción de las partículas K-zero estables en los mismos eventos para servir como punto de referencia. Al comparar la relación de K-stars a K-zeros a través de los diferentes niveles de concurrencia, pudieron ver cómo el entorno afectaba a las partículas de vida corta.

Los resultados mostraron una tendencia clara y dramática. A medida que las colisiones se volvían más concurridas, la relación de K-stars a K-zeros disminuía. En los eventos más concurridos, esta relación era significativamente menor que en los menos concurridos. El investigador calculó que esta caída no fue una fluctuación aleatoria sino un efecto físico real, con una certeza estadística correspondiente a un nivel de significancia de 7σ, lo que significa que la probabilidad de que esto ocurra por azar es ínfima. Esta supresión de la señal de la K-star sugiere que, en los eventos más concurridos, los productos de desintegración de la K-star están colisionando con otras partículas en el medio antes de que la K-star pueda ser identificada. Estas colisiones desordenan la información necesaria para reconstruir la partícula original, ocultándola efectivamente de los detectores. Este proceso se conoce como rescattering (redispersión). El hecho de que esto ocurra en colisiones de protones implica que, incluso en estos sistemas pequeños, existe un entorno lo suficientemente denso para que ocurran estas interacciones, creando una fase hadrónica de corta duración donde las partículas interactúan fuertemente entre sí.

Para entender si esto era un nuevo descubrimiento o solo un efecto conocido, el investigador comparó sus hallazgos con varios modelos computacionales utilizados para simular colisiones de partículas. Algunos de estos modelos, que se basan en teorías estándar de cómo interactúan las partículas, predijeron que la relación debería permanecer relativamente plana o sobreestimar los valores en alta multiplicidad, fallando al no coincidir con la caída observada. Estos modelos no lograron igualar los datos. Sin embargo, un modelo llamado EPOS-LHC, que incluye un mecanismo donde cadenas de energía se superponen e interactúan en un núcleo denso, reprodujo con éxito la caída observada en la relación. Este modelo no requiere un "afterburner" especial para simular las etapas posteriores de las interacciones de partículas; la supresión emerge naturalmente de la forma en que el modelo maneja el núcleo denso. Esto sugiere que la supresión es una consecuencia natural de la alta densidad de partículas en la zona de colisión.

El investigador también observó cómo cambiaba este efecto con la velocidad de las partículas. Encontraron que la supresión era más fuerte para las partículas que se movían lentamente. Las partículas rápidas se veían menos afectadas, probablemente porque atraviesan el medio denso demasiado rápido para ser dispersadas. Este detalle concuerda con la idea de que el proceso de rescattering toma tiempo; las partículas lentas pasan más tiempo en el entorno concurrido, dándoles más oportunidades de colisionar con otros y perder su identidad. El investigador también notó que, mientras el número total de partículas producidas aumentaba con la densidad de la colisión, la velocidad promedio de las partículas también aumentaba, un fenómeno que se ve a menudo en colisiones de iones pesados más grandes y que suele atribuirse a una expansión colectiva del sistema.

Este estudio marca un paso significativo hacia la comprensión de la naturaleza de la materia creada en colisiones de alta energía. Al demostrar una clara supresión de resonancias de vida corta en colisiones protón-protón, la colaboración ALICE ha proporcionado evidencia sólida de que el comportamiento complejo y fluido de la materia no es exclusivo de las colisiones masivas de núcleos atómicos pesados. Los resultados sugieren que, incluso en los sistemas de colisión más pequeños, puede formarse una fase de materia densa e interactuante, que dura lo suficiente para dispersar los productos de desintegración de partículas inestables. Si bien los datos apoyan fuertemente la existencia de esta fase, el investigador reconoce que la naturaleza exacta del medio y la duración de esta fase siguen siendo temas de investigación continua. La capacidad de ciertos modelos computacionales para reproducir estos resultados sin añadir explícitamente una fase hadrónica indica que la física subyacente es compleja, y la cuestión de si se forma un verdadero plasma de quarks y gluones en estos sistemas pequeños permanece abierta. No obstante, la observación de esta supresión con un nivel de confianza tan alto ofrece una herramienta nueva y precisa para sondear los primeros momentos de la creación de la materia en el universo.

Resumen Técnico: Dependencia de la Multiplicidad de la Producción de $K^*(892)^\pm$ en Colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Motivación
Observaciones recientes en el LHC en colisiones protón-protón (pp) y protón-núcleo (p–Pb) de alta multiplicidad han revelado fenómenos tradicionalmente asociados con colisiones núcleo-núcleo (A–A), tales como el realce de extrañeza, el endurecimiento de los espectros de momento transversal ( $p_T$ ) y correlaciones azimutales de largo alcance. Estas características sugieren la posible formación de un plasma de quarks y gluones (QGP) o una fase hadrónica incluso en sistemas de colisión pequeños. Los resonancias hadrónicas de vida corta, como el $K^*(892)$ (vida media $\tau \approx 4$ fm/c), sirven como sondas críticas para la evolución hadrónica en etapas tardías. Si existe una fase hadrónica con una vida finita, los productos de desintegración de estas resonancias pueden experimentar redispersión (rescattering), impidiendo su reconstrucción y provocando una supresión del rendimiento medido respecto a los hadrones estables. Por el contrario, los procesos de regeneración podrían aumentar los rendimientos. Mediciones previas de la relación $K^*(892)^0/K^0_S$ en colisiones pp sugirieron una tendencia de supresión de baja a alta multiplicidad, pero con una significancia estadística de solo $\sim 2\sigma$ . Este trabajo aborda la necesidad de una mayor precisión para confirmar si existe una supresión significativa en sistemas de colisión pequeños, lo que proporcionaría evidencia de una fase hadrónica con un tiempo de vida no nulo.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones pp a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV recolectados por el detector ALICE durante 2016–2018, que comprenden aproximadamente $1.3 \times 10^9$ eventos de ancho de banda mínimo (minimum-bias).

Selección de Eventos: Los eventos se clasifican en diez clases de multiplicidad (I a X) basadas en la carga total depositada en los centelladores V0A y V0C, que van desde la de mayor multiplicidad (0–1%) hasta la de menor multiplicidad (70–100%). El análisis se centra en la clase "INEL>0" (eventos inelásticos con al menos una partícula cargada en $|\eta| < 1$ ).
Reconstrucción de Partículas: La resonancia $K^*(892)^\pm$ se reconstruye mediante su canal de desintegración hadrónica $K^*(892)^\pm \to \pi^\pm + K^0_S$ . El $K^0_S$ se reconstruye además mediante su desintegración en un par $\pi^+\pi^-$ (topología V0). Los piones primarios (de la desintegración del $K^*$ ) y los piones secundarios (de la desintegración del $K^0_S$ ) se identifican utilizando la pérdida de energía por ionización específica ($dE/dx$) en la Cámara de Proyección Temporal (TPC) y el seguimiento en el Sistema de Seguimiento Interno (ITS).
Extracción de la Señal: El rendimiento bruto se extrae de la distribución de masa invariante de los pares $K^0_S \pi^\pm$ en el rango de rapidez $|y| < 0.5$ . El fondo combinatorio se estima mediante la técnica de mezcla de eventos. La señal se ajusta con una función de Breit–Wigner no relativista más una parametrización del fondo residual.
Correcciones y Sistemáticas: Los rendimientos se corrigen por aceptación del detector, eficiencia de reconstrucción y pérdida de señal debido a sesgos de disparo (trigger). Las incertidumbres sistemáticas se evalúan variando los criterios de selección (calidad de traza, identificación de partículas, cortes topológicos), los rangos de ajuste, las funciones de fondo y los anchos de la resonancia. Las incertidumbres no correlacionadas y correlacionadas entre clases de multiplicidad se tratan por separado.

Contribuciones Clave y Resultados
Este trabajo presenta la primera medición de la producción de $K^*(892)^\pm$ como función de la multiplicidad del evento en colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Características Espectrales: Los espectros diferenciales de $p_T$ del $K^*(8,92)^\pm$ se vuelven más duros con el aumento de la multiplicidad, con el pico de la distribución desplazándose hacia valores de $p_T$ más altos. Esta tendencia es consistente con mediciones previas de $K^*(892)^0$ y observaciones de hadrones de vida más larga en pp.
Rendimiento y $p_T$ Medio: Los rendimientos integrados en $p_T$ ($dN/dy$) y los momentos transversales medios ( $\langle p_T \rangle$ ) aumentan con la densidad de multiplicidad de partículas cargadas promedio $\langle dN_{ch}/d\eta \rangle$ . El aumento del rendimiento es aproximadamente lineal, mientras que $\langle p_T \rangle$ muestra signos de saturación en altas multiplicidades.
Supresión de la Resonancia: La relación de los rendimientos de $K^*(892)^\pm$ $K^{*} (892)^{\pm}$ frente a $K^0_S$ $K_{S}^{0}$ disminuye significativamente a medida que aumenta la multiplicidad del evento.
- Significancia: La supresión entre las clases de menor y mayor multiplicidad se mide con una significancia estadística de 7 $\sigma$ , lo que representa la primera observación clara de la supresión $K^*/K$ en un sistema de colisión pequeño. Esto mejora la indicación previa de solo $\sim 2\sigma$ de las mediciones de $K^*$ neutros.
- Dependencia de $p_T$ : La doble relación (la relación de alta multiplicidad dividida por la relación de baja multiplicidad) se desvía de la unidad por más de 3 $\sigma$ para $p_T \lesssim 2$ GeV/c, lo que indica que la supresión afecta principalmente a las resonancias de bajo $p_T$ .
Comparaciones con Modelos:
- EPOS-LHC: Este modelo, que incorpora una separación núcleo-corona y flujo colectivo en la región "núcleo" sin utilizar un afterburner hadrónico, reproduce con éxito la tendencia decreciente de la relación $K^*/K$ con la multiplicidad.
- PYTHIA6/8 y DIPSY: Estos modelos generalmente sobreestiman las relaciones en altas multiplicidades y no logran reproducir la tendencia de supresión observada, aunque PYTHIA8 captura la forma de la relación diferencial de $p_T$ .

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la observación de una supresión de 7 $\sigma$ de la relación $K^*(892)^\pm/K^0_S$ en colisiones pp de alta multiplicidad proporciona la primera evidencia significativa de la supresión de resonancias en sistemas pequeños. En el contexto de la física de núcleos pesados, tal supresión se atribuye típicamente a la redispersión de los productos de desintegración en una fase hadrónica, lo que implica un tiempo de vida finito para dicha fase. Los resultados sugieren que una fase hadrónica con una vida corta puede existir en colisiones pp de alta multiplicidad.

Sin embargo, el autor mantiene una postura modesta respecto a la interpretación. Señala que el modelo EPOS-LHC reproduce la tendencia de supresión observada sin incluir explícitamente un afterburner hadrónico (efectos de redispersión/regeneración), basándose en su lugar en las contribuciones variables de las regiones "núcleo" (hadronización colectiva) y "corona" (no colectiva) a través de las clases de multiplicidad. En consecuencia, aunque los datos son consistentes con la hipótesis de una fase hadrónica, la capacidad de los generadores de eventos de QCD para reproducir estas características sin una fase hadrónica deja la presencia definitiva de una fase hadrónica en colisiones pp como una cuestión abierta. Los resultados sirven como un punto de referencia de alta precisión para los modelos teóricos que intentan describir la transición de sistemas pequeños a grandes.

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