Observation of structures in the $J/\psi +\psi(2S)$ mass spectrum with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Observación de estructuras en el espectro de masas de $J/\psi + \psi(2S)$ con el detector ATLAS

Problema y Motivación
La naturaleza de los hadrones exóticos, particularmente los tetraquarks de todo-charme ($T_{cccc}$), sigue siendo un área crítica para la comprensión de la Cromodinámica Cuántica (QCD) en el régimen no perturbativo. Tras la observación en 2020 por parte de la Colaboración LHCb de una resonancia estrecha cerca de 6.9 GeV ($X(6900)$) en el espectro de masa de di-$J/\psi$, y las subsiguientes confirmaciones por ATLAS y CMS, así como las mediciones recientes de los números cuánticos por CMS, existe la necesidad de investigar si existen estructuras resonantes similares en otros canales de desintegración. Específicamente, este estudio aborda la búsqueda de estructuras resonantes en el espectro de masa $J/\psi + \psi(2S)$. Si bien el canal $J/\psi + \psi(2S)$ fue estudiado previamente por ATLAS, este análisis amplía la investigación mediante la reconstrucción del modo de desintegración $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$, el cual ofrece una fracción de ramificación total más del doble que la del modo $\psi(2S) \to \mu^+\mu^-$, aumentando así el potencial de rendimiento de la señal.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV, que corresponden a una luminosidad integrada de 140 fb$^{-1}$, registrados por el detector ATLAS durante 2015–2018. El estudio se centra en dos canales de desintegración:

1. $J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu$
2. $J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu + 2\pi$ (vía $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$)

Selección de Eventos y Estimación de Fondo:
Los eventos se seleccionan utilizando disparadores (triggers) de di-muones y tri-muones. Los candidatos a señal requieren cuatro muones que formen dos pares de carga opuesta consistentes con las masas de $J/\psi$ y $\psi(2S)$. Para el canal $4\mu+2\pi$, se requieren dos trazas cargadas adicionales de signo opuesto. Se realiza un ajuste simultáneo utilizando Regiones de Señal (SRs) y Regiones de Control (CRs). Las SRs y las CRs se definen basándose en la distancia angular $\Delta R$ entre los dos candidatos de charmonia ($\Delta R < 0.25$ para las SRs, $\ge 0.25$ para las CRs). Esta estrategia permite restringir las normalizaciones de fondo y validar la forma del fondo de Dispersión de Partícula Única (SPS).

Los fondos se categorizan como:

• Otros: Eventos con como máximo un charmonium real (estimados mediante métodos de banda lateral basados en datos).
• No prompt (Nonprompt): Charmonium proveniente de desintegraciones de hadrones $b$ (estimado mediante MC, corregido en una CR dedicada).
• Dispersión de Doble Partícula (DPS): Estimada mediante MC, restringida en una CR con alta masa de di-charmonium.
• SPS: Producción prompt de di-charmonium (estimada mediante MC, con la forma restringida por el parámetro de Pythia $pT0timesMPI$).

Para el canal $4\mu+2\pi$, se emplea un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para suprimir el fondo de "feed-up" del canal di-$J/\psi$, donde trazas aleatorias son identificadas erróneamente como piones.

Modelado de Señal y Estrategia de Ajuste
Se realizan ajustes de máxima verosimilitud no parametrizados (unbinned maximum likelihood fits) en los espectros de masa $m_{4\mu}$ y $m_{4\mu+2\pi}$. Se consideran tres modelos de señal representativos para dar cuenta de posibles efectos de interferencia:

• Modelo A: Dos resonancias Breit–Wigner (BW) de onda S que interfieren (asumiendo que el $X(6900)$ observado en di-$J/\psi$ también se desintegra en $J/\psi+\psi(2S)$).
• Modelo B: Una resonancia que interfiere con el fondo SPS y una segunda resonancia independiente.
• Modelo C: Una única resonancia BW independiente (considerando solo canales $J/\psi+\psi(2S)$).

El ajuste extrae simultáneamente los rendimientos de la señal, las masas y las anchuras. La razón de las fracciones de anchura parcial, $R = \Gamma(X(6900) \to J/\psi+\psi(2S)) / \Gamma(X(6900) \to \text{di-}J/\psi)$, se trata como un parámetro libre en los Modelos A y B. También se lleva a cabo una búsqueda de una segunda resonancia cerca de 7.2 GeV ($X(7200)$) añadiendo un componente independiente a los modelos.

Resultados Clave

• Observación de $X(6900)$: Se observa un exceso significativo cerca de 6.9 GeV en ambos canales, $4\mu$ y $4\mu+2\pi$. La significancia combinada alcanza las 8.9$\sigma$ (calculada con los parámetros de forma de la señal fijados a los valores del mejor ajuste).
• Propiedades de la Resonancia: La masa ajustada es consistentemente alrededor de 6.9 GeV en todos los modelos. La anchura varía según el modelo: aproximadamente 0.08 GeV para el Modelo A y 0.18 GeV para los Modelos B y C.
• Razón de la Fracción de Anchura Parcial: Bajo la suposición del Modelo A (nominal) y el Modelo B (evaluación de sistemáticas), la razón de las fracciones de anchura parcial se determina como $R = 1.08 \pm 0.20 \pm 0.40$ (incertidumbres estadística y sistemática). Esto sugiere que las fracciones de ramificación hacia $J/\psi+\psi(2S)$ y di-$J/\psi$ son comparables.
• Búsqueda de $X(7200)$: No se observa una señal significativa cerca de 7.2 GeV. Se establece un límite superior en el rendimiento de un potencial $X(7200)$ relativo al $X(6900)$ de 0.41 con un nivel de confianza del 95%.
• Validación del Fondo: Los métodos de estimación de fondo muestran un buen acuerdo con los datos en las regiones de control, validando la forma y la normalización del fondo SPS.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que este análisis confirma la presencia de estructuras en los canales $J/\psi+\psi(2S)$, favoreciendo la hipótesis de una sola resonancia cerca de 6.9 GeV. El resultado supera las mediciones previas de la misma colaboración (Ref. [13]) al proporcionar determinaciones más precisas de masa y anchura, y alcanzar una mayor significancia estadística (8.9$\sigma$ frente a 4.7$\sigma$ en el análisis previo de solo di-$J/\psi$). El hallazgo de que la razón de la anchura de desintegración parcial es cercana a la unidad apoya los escenarios donde el $X(6900)$ se acopla de manera similar a ambos estados finales de di-charmonium. El artículo concluye que, si bien los datos actuales no respaldan la existencia de una resonancia cerca de 7.2 GeV, se requerirán conjuntos de datos futuros para determinar con precisión la naturaleza, los números cuánticos y las posibles resonancias adicionales de estos estados exóticos.