Observation of $Υ$(1S) + Z associated production and measurement of the effective double-parton scattering cross section in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Utilizando 138 fb$^{-1}$ de datos de colisiones protón-protón a $\sqrt{s}$ = 13 TeV recolectados por el detector CMS, este estudio reporta la primera observación de la producción asociada de $\Upsilon$(1S) y un bosón Z y mide la sección eficaz de dispersión de doble partón, incluyendo su dependencia del momento transversal.

Lo esencial

Imagina el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN como el colisionador de partículas más potente del mundo. Cada segundo, dispara dos haces de protones (partículas diminutas que forman los átomos) uno contra el otro a casi la velocidad de la luz. Cuando chocan, crean una explosión caótica de nuevas partículas.

Durante décadas, los físicos han intentado comprender exactamente cómo ocurren estas colisiones. Por lo general, asumen que cuando dos protones chocan, es una pelea de "uno contra uno": una pieza del primer protón golpea una pieza del segundo protón, y eso es todo. Esto se llama Dispersión de Partón Único (S-P-S, por sus siglas en inglés).

Sin embargo, este artículo sugiere que, a veces, es más como un juego de doble cabezal. En una sola colisión, dos pares distintos de piezas podrían interactuar al mismo tiempo. Esto se llama Dispersión de Doble Partón (D-P-S, por sus siglas en inglés).

El gran descubrimiento: Capturando una "doble cita" poco común

El equipo CMS (un grupo masivo de científicos) analizó 138 mil millones de colisiones (una cantidad enorme de datos) para encontrar un evento muy específico y raro. Buscaban una colisión que produjera dos cosas pesadas y distintas al mismo tiempo:

1. Un bosón Z: una partícula pesada que actúa como mensajera de la fuerza nuclear débil.
2. Un mesón $\Upsilon$(1S): una partícula pesada hecha de un quark fondo y su antipartícula (piensa en ello como un átomo muy pesado y de vida corta).

Encontrar estas dos partículas pesadas juntas es como encontrar un par específico de gemelos en una multitud de miles de millones. El equipo identificó con éxito 34,6 eventos (con una certeza estadística de más de 5 desviaciones estándar, lo que significa que es casi seguro que es un descubrimiento real y no una casualidad).

Cómo lo hicieron: La pista de los "cuatro muones"

Tanto el bosón Z como el mesón $\Upsilon$(1S) son inestables; se desintegran casi instantáneamente. Sin embargo, ambos tienen la costumbre de desintegrarse en pares de muones (primos pesados de los electrones).

• El bosón Z se divide en 2 muones.
• El $\Upsilon$(1S) se divide en 2 muones.
• Total: 4 muones saliendo de la colisión.

Los científicos actuaron como detectives en la escena de un crimen. Buscaron estos cuatro muones y comprobaron si todos provenían exactamente del mismo lugar (un vértice común).

• La teoría de "uno contra uno" (SPS): Si fuera una colisión estándar, los cuatro muones vendrían naturalmente del mismo punto de choque único.
• La teoría de la "doble cita" (DPS): Si fuera una doble colisión, el bosón Z podría provenir de un choque y el $\Upsilon$ de un choque completamente separado que ocurre justo al lado. En este caso, los muones vendrían de dos lugares diferentes.

Al analizar los ángulos y las distancias entre los muones, el equipo pudo separar los eventos de "uno contra uno" de los eventos de "doble cita".

Los resultados: Midiendo la "sección eficaz efectiva"

El artículo calcula un número llamado $\sigma_{eff}$ (sigma-eff). Piensa en esto como una medida de qué tan concurrido está el protón.

• La analogía: Imagina que un protón es una concurrida pista de baile.
  • Si los bailarines (partones) están repartidos uniformemente, es fácil encontrar dos parejas separadas para bailar al mismo tiempo.
  • Si los bailarines están agrupados en un grupo apretado, es más difícil que dos parejas separadas interactúen sin chocar entre sí.

El equipo midió esta "concurrencia" en 13,0 mb (milibarns). Este número nos dice qué tan probable es que ocurran dos interacciones separadas en un solo choque de protones.

Un nuevo nivel de detalle

Lo que hace especial a este artículo es que no solo dieron un número promedio. Midieron esta "concurrencia" en diferentes compartimentos basados en la velocidad con la que se mueven las partículas (su momento).

• Encontraron que, a medida que el mesón $\Upsilon$(1S) se mueve más rápido, la sección eficaz efectiva cambia.
• Esto sugiere que la "pista de baile" no es uniforme; la disposición de los bailarines cambia dependiendo de qué tan fuerte los golpees.

Resumen

En términos sencillos, este artículo es la primera vez que los científicos han observado con éxito la creación de un bosón Z y un mesón $\Upsilon$(1S) juntos en una colisión de protones. Al estudiar este evento raro, confirmaron que las "dobles colisiones" (donde dos pares de partículas interactúan a la vez) ocurren con más frecuencia de lo que se pensaba anteriormente en este escenario específico. Utilizaron esto para mapear la estructura interna del protón, revelando cómo sus componentes diminutos están dispuestos en el espacio.

Idea clave: Los protones no son solo bolas de billar simples; son nubes complejas donde pueden ocurrir múltiples interacciones simultáneamente, y este artículo proporciona un nuevo y detallado mapa de cómo ocurren esas interacciones.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Observación de la Producción Asociada $\Upsilon(1S) + Z$ y Medición de la Sección Eficaz de Dispersión de Doble Partón

Problema y Motivación
El mecanismo de producción de quarkonios pesados en colisiones de hadrones sigue siendo un área donde la comprensión teórica es incompleta, particularmente en lo que respecta a la hadronización no perturbativa de pares de quark-antiquark pesados. Esta complejidad aumenta significativamente cuando los quarkonios se producen en asociación con bosones electrodébiles, como el bosón $Z$. En estos procesos, el estado final puede surgir de dos mecanismos distintos: Dispersión de Partón Único (SPS, por sus siglas en inglés), donde un par de partones interactúa, o Dispersión de Doble Partón (DPS, por sus siglas en inglés), donde dos pares independientes de partones interactúan dentro de la misma colisión protón-protón.

La contribución del proceso DPS se cuantifica mediante la sección eficaz de DPS efectiva, $\sigma_{\text{eff}}$, la cual está relacionada con la distribución espacial transversal de los partones dentro del nucleón. Si bien mediciones experimentales previas han proporcionado valores integrados de $\sigma_{\text{eff}}$ para diversos procesos, existe una falta de datos respecto a la dependencia de $\sigma_{\text{eff}}$ de las variables cinemáticas, tales como el momento transversal ($p_T$). Además, los modelos teóricos luchan por capturar plenamente la interacción entre SPS y DPS en canales de producción asociada. Este estudio aborda estas brechas investigando la producción asociada de un mesón $\Upsilon(1S)$ y un bosón $Z$ en colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el detector CMS durante los periodos de ejecución de 2016–2018 del CERN LHC, correspondientes a una luminosidad integrada de $138 \text{ fb}^{-1}$.

• Selección de Eventos: Tanto el bosón $Z$ como los mesones $\Upsilon(nS)$ ($n=1, 2, 3$) se reconstruyen mediante sus decaimos en pares de muones de signo opuesto ($\mu^+\mu^-$). El canal de señal requiere cuatro muones en el estado final.

  • Candidatos a $\Upsilon$: Los muones deben satisfacer criterios de identificación suaves, $p_T > 3$ GeV, $|\eta| < 2.4$, e un invariante de masa entre 8.5 y 11 GeV.
  • Candidatos a $Z$: Los muones deben satisfacer criterios de identificación estrictos, con umbrales de $p_T$ líder y sublíder de 30 y 15 GeV respectivamente, $|\eta| < 2.4$, e un invariante de masa entre 66 y 116 GeV.
  • Vértice: Un requisito crucial es que los cuatro muones deben originarse en un vértice común con una probabilidad de ajuste $>1\%$. Esto suprime el fondo proveniente de interacciones de pileup donde el $\Upsilon$ y el $Z$ se originan de colisiones independientes.
  • Aislamiento: Se requiere que los muones estén aislados de la actividad hadrónica, aplicando razones de aislamiento ($I$) específicas basadas en si pertenecen al candidato $\Upsilon$ o al $Z$.

• Normalización: Para reducir las incertidumbres sistemáticas, la sección eficaz de la señal se normaliza a la sección eficaz fiduciaria de la producción $Z \to 4\mu$. Este canal de normalización utiliza criterios de selección similares pero no requiere un vértice común para los cuatro muones, ya que el fondo proveniente de vértices independientes en este intervalo de masa es negligible.

• Análisis Estadístico:

  • Extracción de la Señal: Se realiza un ajuste de máxima verosimilitud no binario extendido en dos dimensiones (masas invariantes de los candidatos $\Upsilon$ y $Z$). Las formas de la señal se modelan utilizando funciones Voigtian y Gaussianas, mientras que los fondos se describen mediante funciones exponenciales.
  • Separación SPS vs. DPS: Se utiliza la técnica $sPlot$ para extraer los pesos de los eventos de señal. Estos pesos se aplican a las distribuciones de la diferencia de rapidez ($\Delta y$) y la diferencia de ángulo azimutal ($\Delta \phi$) entre los candidatos $\Upsilon$ y $Z$. Un ajuste de plantillas 2D mediante estimación de densidad de núcleo (derivada de simulación) separa las contribuciones de SPS y DPS.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Observación de $Z + \Upsilon(1S)$: El análisis observa $34.6 \pm 9.0$ eventos de producción $Z + \Upsilon(1S)$. La significancia estadística de esta señal, relativa a la hipótesis de solo fondo, es de 5.3 desviaciones estándar, lo que constituye la primera observación de este canal de producción asociada. Se encontró que las señales para $Z + \Upsilon(2S)$ y $Z + \Upsilon(3S)$ tienen significancias por debajo de 3 desviaciones estándar.
2. Relación de Secciones Eficaces Fiduciarias: La relación de las secciones eficaces fiduciarias se mide como:
   $$R_{Z+\Upsilon(1S)} = \frac{\sigma(pp \to Z + \Upsilon(1S)) \mathcal{B}(Z \to \mu^+\mu^-) \mathcal{B}(\Upsilon(1S) \to \mu^+\mu^-)}{\sigma(pp \to Z) \mathcal{B}(Z \to 4\mu)} = (21.1 \pm 5.5 \text{ (stat)} \pm 0.6 \text{ (syst)}) \times 10^{-3}$$
3. Fracción de DPS y $\sigma_{\text{eff}}$: El ajuste a las distribuciones de $\Delta y$ y $\Delta \phi$ arroja una fracción de DPS de $f_{\text{DPS}} = 0.95 \pm 0.25$. Consecuentemente, el rendimiento de DPS se determina en $32.9 \pm 8.7$ eventos. Utilizando este rendimiento y la relación medida, se extrae la sección eficaz de dispersión de doble partón efectiva:
   $$\sigma_{\text{eff}} = 13.0^{+7.7}_{-3.4} \text{ mb}$$
   Este valor es consistente con mediciones previas de $\sigma_{\text{eff}}$ de procesos de doble quarkonio y otros procesos multijet.
4. Medición Diferencial: Por primera vez, $\sigma_{\text{eff}}$ se mide en bins del momento transversal ($p_T$) del mesón $\Upsilon(1S)$ y del bosón $Z$. Los resultados no muestran una desviación significativa del valor inclusivo dentro de las grandes incertidumbres estadísticas, aunque la tendencia sugiere una potencial disminución de $\sigma_{\text{eff}}$ con el aumento del $p_T$ del $\Upsilon(1S)$, lo cual es consistente con las expectativas de que los quarkonios de mayor $p_T$ se originan de partones más cercanos al núcleo del protón.

Significancia
El artículo reporta la primera observación de la producción asociada $\Upsilon(1S) + Z$ en colisiones protón-protón. Al separar exitosamente los componentes SPS y DPS, el estudio proporciona una medición de $\sigma_{\text{eff}}$ en un nuevo régimen cinemático que involucra un estado de quarkonio pesado y un bosón electrodébil. La significancia principal radica en la primera medición diferencial de $\sigma_{\text{eff}}$ como función de $p_T$ para estas partículas específicas. Estas mediciones por bins ofrecen nuevas restricciones para los modelos teóricos de funciones de distribución de doble partón y la estructura transversal del protón, abordando la limitación de estudios previos que solo proporcionaban mediciones integradas sobre el espacio de fase completo. El resultado es consistente con la interpretación geométrica de $\sigma_{\text{eff}}$ y respalda la validez del uso de este parámetro para cuantificar las contribuciones de DPS en estados finales complejos.