Measurement of the $Υ$(1S), $Υ$(2S), and $Υ$(3S) differential cross sections in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

El experimento CMS midió las secciones eficaces de producción diferenciales de los mesones $\Upsilon$(1S), $\Upsilon$(2S) y $\Upsilon$(3S) en colisiones protón-protón a $\sqrt{s}$ = 13,6 TeV utilizando 37,4 fb$^{-1}$ de datos de 2022, analizando su desintegración en pares de muones a través de intervalos específicos de momento transversal y rapidez.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN como la pista de carreras más potente del mundo, esencialmente una gigantesca pista donde los protones (partículas subatómicas diminutas) chocan entre sí a casi la velocidad de la luz. Cuando estos protones colisionan, crean una explosión caótica de energía que forma brevemente nuevas partículas exóticas antes de que se desintegren instantáneamente en algo más.

Este documento es un informe detallado, como una boleta de calificaciones, del experimento CMS, uno de los gigantescos detectores situados en esa pista de carreras. El equipo está estudiando una familia específica de estas partículas exóticas llamada bottomonium (específicamente los estados $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$).

Aquí hay un desglose de lo que hicieron y encontraron, utilizando analogías sencillas:

1. Los "pesos pesados" del mundo de las partículas

Imagina las partículas del universo como una familia de instrumentos musicales. Algunas son ligeras y rápidas (como una flauta), mientras que otras son pesadas y lentas (como una tuba).

• Bottomonium está compuesto por un quark "belleza" y su antipartícula. Estos son las "tubas" del mundo de las partículas: pesadas y lentas de mover.
• El artículo se centra en tres notas específicas de esta familia: el $\Upsilon(1S)$ (la nota más baja y profunda), el $\Upsilon(2S)$ (una nota ligeramente más alta) y el $\Upsilon(3S)$ (una nota aún más alta).
• Los científicos quieren saber exactamente con qué frecuencia se crean estas "tubas" cuando los protones chocan entre sí.

2. El experimento: Una sesión fotográfica de alta velocidad

Los investigadores utilizaron datos recolectados en 2022 de colisiones donde la energía era de 13.6 TeV (una cantidad masiva de energía, como un mosquito golpeando un parabrisas pero escalado al nivel atómico).

• Los Datos: Analizaron una enorme cantidad de datos, equivalentes a 37.4 "femtobarns inversos" de colisiones. Para usar una analogía, si un femtobarn es un granito de arena diminuto, analizaron una montaña de ellos para encontrar estas partículas raras.
• La Detección: Estas partículas pesadas no permanecen mucho tiempo; se desintegran instantáneamente en dos muones (partículas similares a los electrones pero mucho más pesadas). El detector CMS es como una cámara de alta velocidad que toma fotos de estos dos muones saliendo disparados. Al medir qué tan rápido vuelan y hacia dónde van, los científicos pueden reconstruir la partícula "padre" que creó a los muones.

3. La medición: Contando las notas

El objetivo principal fue medir la sección eficaz de producción (production cross-section). En lenguaje cotidiano, esto es solo una forma elegante de preguntar: "¿Qué tan probable es que creemos una de estas partículas?"

Lo midieron de dos maneras:

• Velocidad (Momento Transverso, $p_T$): ¿Con qué fuerza recibió la partícula un golpe lateral? Observaron partículas que se movían a velocidades que van desde los 20 a los 200 GeV (un rango muy amplio).
• Ángulo (Rapidez, $y$): ¿Salió la partícula disparada directamente desde el punto de colisión, o salió disparada en un ángulo? Observaron dos "zonas" de ángulos específicos.

El Resultado: Lograron contar cuántas de estas partículas se crearon en cada categoría de velocidad y ángulo. Descubrieron que:

• Cuanto más pesada es la partícula (la "nota" más alta), menos de ellas se crean.
• Cuanto más rápido se les da un golpe lateral, menos de ellas se crean (lo cual tiene sentido; es más difícil patear un objeto pesado muy rápido).
• Los resultados para las dos zonas de ángulos diferentes fueron casi idénticos.

4. Por qué esto importa: El "libro de recetas"

El artículo explica que nuestra comprensión actual de cómo se crean estas partículas se basa en una teoría llamada NRQCD (Cromodinámica Cuántica No Relativista). Piensa en esta teoría como un libro de recetas para fabricar materia.

• La receta tiene ingredientes llamados Elementos de Matriz de Larga Distancia (LDMEs). Estos son como "especias secretas" en la receta. Sabemos que la receta existe, pero no conocemos la cantidad exacta de especia necesaria porque no podemos calcularla solo con matemáticas.
• Para determinar la cantidad correcta de "especia", los científicos tienen que observar datos del mundo real (como este artículo) y decir: "Bien, si usamos esta cantidad de especia, la receta predice exactamente lo que vemos en el detector".
• La contribución del artículo: Al medir estas partículas a una energía más alta (13.6 TeV) y velocidades más altas (hasta 200 GeV) que nunca antes, este artículo proporciona nuevas y más estrictas restricciones para el libro de recetas. Le dice a los teóricos: "Su receta actual funciona bien, pero si ajustan estos números específicos, coincidirá perfectamente con nuestros nuevos datos de alta velocidad".

5. El efecto de "descendencia" (Feed-Down)

Un detalle interesante que el artículo menciona es la "descendencia" (feed-down).

• Imagina que estás contando cuántas partículas $\Upsilon(1S)$ (la nota más baja) se crean.
• Sin embargo, algunos de los $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ (las notas más altas) son inestables y se desintegran rápidamente en el $\Upsilon(1S)$.
• Por lo tanto, cuando el detector ve un $\Upsilon(1S)$, este podría haberse creado directamente, o podría haber sido un "nieto" de una partícula más pesada. El artículo incluye todos estos casos en su conteo, asegurando que la imagen total esté completa.

Resumen

En resumen, el equipo del CMS tomó una instantánea masiva de colisiones de protones a velocidades récord. Contaron cuántas partículas pesadas de "belleza" se crearon a diferentes velocidades y ángulos. Encontraron que los actuales "libros de recetas" teóricos generalmente aciertan con las tendencias, pero estos nuevos datos de alta precisión ayudarán a los científicos a perfeccionar las recetas para comprender aún mejor las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Medición de las Secciones Eficaces Diferenciales de $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ en Colisiones $pp$a$\sqrt{s} = 13.6$ TeV

Problema y Contexto
La producción de estados de quarkonio pesado, específicamente el bottomonio ($\Upsilon(nS)$), sirve como una sonda crítica para comprender la formación de hadrones dentro del marco de la Cromodinámica Cuántica (QCD). La descripción teórica prevalente, la QCD no relativista (NRQCD), postula que la producción de quarkonio implica una factorización de efectos de distancia corta (calculables mediante QCD perturbativa) y efectos de distancia larga (parametrizados por Elementos de Matriz de Larga Distancia, o LDME). Si bien los coeficientes de distancia corta se computan hasta el orden siguiente al líder (NLO), los LDME deben extraerse de ajustes globales a datos experimentales. Un desafío significativo en este campo es la dependencia de los LDME extraídos de los conjuntos de datos específicos, los umbrales cinemáticos y la inclusión de mediciones de polarización. Mediciones previas realizadas por la Colaboración CMS a $\sqrt{s} = 13$ TeV establecieron una línea base, pero extender el alcance cinemático hacia momentos transversos ($p_T$) más altos y utilizar la mayor energía de colisión de 13.6 TeV es necesario para proporcionar restricciones más estrictas a estos parámetros fenomenológicos.

Metodología
Este análisis utiliza un conjunto de datos de colisiones protón-protón recolectado por el experimento CMS en 2022 a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, que corresponde a una luminosidad integrada de $37.4 \text{ fb}^{-1}$. La medición se centra en los canales de decaimiento dimuón ($\Upsilon(nS) \to \mu^+\mu^-$) para el estado fundamental $\Upsilon(1S)$ y los estados excitados $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$.

• Selección de Eventos: Los eventos se seleccionan mediante un sistema de disparo (trigger) de dos niveles. El disparador de Nivel-1 (L1) requiere al menos dos muones de signo opuesto con $p_T > 4.5$ GeV y una masa dimuón $m_{\mu\mu} > 7$ GeV. El Disparador de Alto Nivel (HLT) refina esto a $8.5 < m_{\mu\mu} < 11.5$ GeV, $p_T > 9.9$ GeV y $|y| < 1.4$. La selección fuera de línea (offline) requiere muones con $p_T > 10$ GeV y $|\eta| < 1.4$, con una probabilidad de ajuste de vértice dimuón $> 1\%$.
• Extracción de Rendimiento: Los rendimientos de la señal, $N(p_T, |y|)$, se extraen en bins bidimensionales de momento transverso ($20 \le p_T \le 200$ GeV) y rapidez ($\text{rapidez } |y| < 0.6$ y $0.6 < |y| < 1.2$). Esto se logra a través de un ajuste de máxima verosimilitud extendido al espectro de masa invariante dimuón. El modelo de la señal comprende tres resonancias, cada una descrita por una suma de dos funciones Crystal Ball, mientras que el fondo se modela mediante un polinomio de segundo orden. Los parámetros de forma de las resonancias se restringen utilizando los valores de masa promedio mundial y relaciones de escala derivadas de simulaciones.
• Eficiencia y Aceptancia: Las secciones eficaces diferenciales se calculan utilizando la fórmula:
  $$\mathcal{B} \frac{d^2\sigma}{dy dp_T} = \frac{N(p_T, |y|)}{\mathcal{L} \Delta y \Delta p_T} \frac{1}{\epsilon(p_T, |y|)} \frac{1}{A(p_T, |y|)}$$
  donde $\mathcal{L}$ es la luminosidad integrada. La aceptancia $A(p_T, |y|)$ se determina mediante simulación de Monte Carlo (PYTHIA 8.306 con ajuste CP5 y PDFs NNPDF3.1 NNLO), asumiendo una producción no polarizada. La eficiencia de detección $\epsilon(p_T, |y|)$ se mide utilizando el método de tag-and-probe en datos, contabilizando las eficiencias de disparo, reconstrucción e identificación, así como una corrección para las ineficiencias del disparador de pares de muones cuando las trazas están cerca en el espacio de fase.
• Incertidumbres Sistemáticas: Las principales fuentes incluyen la medición de la luminosidad (1.4%), la extracción del rendimiento de la señal (variaciones en los modelos de ajuste para señal y fondo), el modelado de la aceptancia (reponderación de distribuciones simuladas) y las incertidumbres de eficiencia (propagadas de estudios de tag-and-probe y de emulación del disparador de pares de muones).

Contribuciones Clave y Resultados
El artículo reporta la primera medición de las secciones eficaces diferenciales de $\Upsilon(1S)$, $\Upsilon(2S)$ y $\Upsilon(3S)$ a $\sqrt{s} = 13.6$ TeV.

• Alcance Cinemático: El análisis extiende el alcance de $p_T$ desde el resultado anterior de CMS a 13 TeV (que terminaba en 100 GeV) hasta 200 GeV.
• Secciones Eficaces: Las secciones eficaces medidas, multiplicadas por las fracciones de ramificación dimuón, se proporcionan para el escenario no polarizado. Los resultados incluyen contribuciones de feed-down de estados de bottomonia más pesados.
• Razones: Se presentan las razones de los estados excitados respecto al estado fundamental ($\Upsilon(2S)/\Upsilon(1S)$ y $\Upsilon(3S)/\Upsilon(1S)$). Estas razones parecen alcanzar una meseta para $p_T \gtrsim 55$ GeV.
• Comparación con la Teoría: Las secciones eficaces medidas se comparan con las predicciones de NRQCD que incluyen feed-down de bottomonias de onda S y P. Las predicciones describen razonablemente bien las tendencias generales de los datos.
• Escalamiento de Energía: Se proporcionan las razones de las secciones eficaces de $\Upsilon(1S)$ entre la medición de 13.6 TeV y las mediciones previas a 7 y 13 TeV, mostrando consistencia dentro de las incertidumbres.

Significancia
Los autores afirman que estos resultados constituyen una entrada importante para los ajustes globales de las secciones eficaces y polarizaciones de quarkonios. Al proporcionar mediciones diferenciales precisas sobre un amplio rango de $p_T$ a una nueva energía de colisión, los datos ayudan a restringir los Elementos de Matriz de Larga Distancia (LDME) que determinan la producción inclusiva de quarkonios dentro del marco de NRQCD. El artículo enfatiza que, si bien la comparación específica con las curvas de NRQCD es ilustrativa, las nuevas mediciones proporcionan las restricciones necesarias para mejorar los análisis fenomenológicos. Los resultados se ponen a disposición en el registro HEPData para facilitar desarrollos teóricos adicionales.