Inclusive $ψ(2S)$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

El experimento ALICE en el LHC midió por primera vez la producción inclusiva de mesones $\psi(2S)$ a midrapidez en colisiones pp a $\sqrt{s} = 13$ TeV, presentando la sección eficaz diferencial en función del momento transversal y su relación con la de J/$\psi$, lo que revela un ligero aumento de dicha relación con el incremento de $p_{\rm T}$ y permite comparar los resultados con predicciones teóricas como NRQCD y el modelo ICEM.

Lo esencial

¡Hola! Imagina que el universo es un gigantesco parque de atracciones microscópico donde las partículas subatómicas son los visitantes. En este parque, hay dos tipos de "coches de choque" muy especiales hechos de una materia llamada quark encanto: el J/ψ (el coche clásico y popular) y el ψ(2S) (su hermano menor, más raro y difícil de encontrar).

Este documento es un informe de los científicos del experimento ALICE en el CERN (el laboratorio de física de partículas más grande del mundo, en Suiza). Han estado observando cómo se crean estos "coches" cuando chocan dos haces de protones a velocidades increíbles (casi la de la luz).

Aquí te explico qué hicieron y qué descubrieron, usando analogías sencillas:

1. La Misión: Cazar al "Fantasma" ψ(2S)

Antes de este estudio, los científicos ya sabían mucho sobre el coche clásico (J/ψ), pero el hermano menor (ψ(2S)) era como un fantasma: muy difícil de ver, especialmente cuando se mueve a velocidades "moderadas" (ni demasiado lento, ni demasiado rápido).

• El problema: En el pasado, para ver al ψ(2S), los científicos tenían que mirar en zonas muy específicas o esperar a que fuera muy rápido.
• La solución: Usaron un detector especial llamado TRD (Detector de Radiación de Transición). Imagina que el TRD es un filtro de seguridad ultra-sensible en la puerta del parque. En lugar de dejar pasar a todo el mundo (como un detector normal), este filtro solo deja pasar a los electrones que tienen una "energía especial".
• El resultado: Al usar este filtro, lograron ver al ψ(2S) en un rango de velocidad que nunca habían logrado antes (desde 4 hasta 16 GeV/c). Fue como si, por fin, pudieran ver al fantasma en la sala de estar en lugar de solo en el ático.

2. ¿Cómo funciona el "Motor" de estas partículas?

Cuando chocan los protones, se crea una sopa de energía que se enfría y forma estas partículas. Los científicos querían saber: ¿Qué reglas gobiernan la creación de estos coches?

Existen dos teorías principales (dos "recetas" de cocina) para explicar esto:

1. La Receta NRQCD: Es como una receta de cocina muy detallada que tiene en cuenta todos los ingredientes y cómo se mezclan a nivel cuántico.
2. La Receta ICEM: Es una receta más simple que asume que, una vez que los ingredientes se mezclan, el resultado es siempre el mismo, sin importar mucho los detalles.

3. Los Descubrimientos: ¿Qué aprendimos?

A. La relación entre los hermanos
Los científicos midieron cuántos ψ(2S) se creaban en comparación con cuántos J/ψ.

• Lo que vieron: A medida que las partículas se mueven más rápido, la cantidad de ψ(2S) (el hermano menor) aumenta ligeramente en relación con el J/ψ. Es como si, en carreras de velocidad, el hermano menor empezara a ganar un poco más de terreno que el hermano mayor.
• La sorpresa: Esta tendencia de "crecer" con la velocidad no era algo que la receta simple (ICEM) predijera bien. La receta simple decía que la relación debería ser plana (igual siempre), pero los datos mostraron que sube.

B. ¿Quién tiene la receta correcta?

• La receta NRQCD (la detallada) se ajustó perfectamente a lo que vieron los científicos. Sus predicciones coincidieron con los datos reales.
• La receta ICEM (la simple) dio resultados aceptables, pero falló al predecir esa pequeña subida en la relación entre los dos coches.

4. ¿Por qué es importante esto?

Imagina que estás intentando entender cómo se construye una ciudad.

• Si solo miras las casas grandes (J/ψ), tienes una idea, pero no entiendes todo el proceso.
• Al estudiar también las casas pequeñas y raras (ψ(2S)), los científicos pueden probar si sus teorías sobre cómo se ensambla la materia son correctas.

Este estudio es crucial porque:

1. Valida la teoría: Confirma que la teoría cuántica compleja (NRQCD) es la que mejor describe la realidad.
2. Sirve de base: Estos datos en colisiones de protones (pp) son el "punto de referencia" o la "línea base". Cuando los científicos chocan núcleos de plomo (para crear una sopa de quarks y gluones, como en el Big Bang), necesitan saber cómo se comportan las partículas en condiciones normales para poder medir qué cambia en esas condiciones extremas.

En resumen

El equipo ALICE usó un "filtro mágico" (el detector TRD) para encontrar a una partícula escurridiza (el ψ(2S)) a velocidades que antes eran invisibles para ellos. Descubrieron que, a medida que estas partículas van más rápido, se comportan de una manera específica que solo una teoría muy detallada (NRQCD) puede predecir correctamente.

Es como si, por fin, hubieran logrado ver las reglas exactas del juego de billar cuántico, confirmando que la física que imaginamos en nuestros cuadernos es, en efecto, la que ocurre en la realidad.

Resumen técnico

1. Problema y Contexto Científico

El estudio se centra en la producción de quarkonia (estados ligados de un quark de encanto y un antiquark de encanto, como el $J/\psi$ y el $\psi(2S)$) en colisiones protón-protón (pp) a alta energía.

• Desafío Teórico: La producción de quarkonia implica escalas de energía muy diferentes: la escala dura de la masa del quark de encanto y las escalas suaves de su momento y energía de enlace. Esto requiere teorías que factoricen la producción perturbativa de pares $c\bar{c}$ de la hadronización no perturbativa.
• Modelos en Competencia:
  • NRQCD (Cromodinámica Cuántica No Relativista): Extiende el Modelo de Singlete de Color (CSM) incluyendo estados de octete de color y elementos de matriz de larga distancia (LDMEs). Aunque exitoso en muchos casos, tiene dificultades para predecir la polarización en ciertos rangos.
  • ICEM (Modelo de Evaporación de Color Mejorado): Basado en la dualidad quark-hadrón, asume que la probabilidad de formación de un quarkonio es proporcional a la sección eficaz de producción de pares $c\bar{c}$ por debajo de un umbral de masa.
• Brecha Experimental: Hasta este trabajo, no existían mediciones de la producción inclusiva de $\psi(2S)$ a midrapidez ($|y| < 0.9$) en el LHC para momentos transversales ($p_T$) inferiores a 8 GeV/c. Las mediciones previas de ALICE se limitaban a rapididades hacia adelante, y las de CMS/ATLAS cubrían rangos de $p_T$ más altos o energías de colisión menores.

2. Metodología Experimental

La medición se realizó utilizando el detector ALICE en el LHC durante las campañas de datos de 2017 y 2018 (Run 2) a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13$ TeV.

• Disparador (Trigger) y Muestra de Datos:
  • Se utilizó un disparador de nivel 1 del Detector de Radiación de Transición (TRD) para seleccionar electrones y positrones de $p_T$ intermedio y alto.
  • Umbral del disparador: $p_T > 2$ GeV/c para un solo electrón.
  • Esto permitió aumentar la luminosidad integrada efectiva para eventos con quarkonia en un factor de ~34 en comparación con el disparador de sesgo mínimo (MB).
  • Luminosidad Integrada: $1.7 \pm 1.8\%$ (sist.) pb$^{-1}$.
• Reconstrucción y Selección:
  • Los mesones $\psi(2S)$ y $J/\psi$ se reconstruyeron a través de su canal de desintegración en pares de electrones ($e^+e^-$).
  • Se utilizaron el Sistema de Rastreo Interno (ITS) y la Cámara de Proyección Temporal (TPC) para la reconstrucción de trazas y la identificación de partículas (PID) mediante la pérdida de energía específica ($dE/dx$).
  • Se aplicaron criterios estrictos de calidad de traza, rechazo de conversiones de fotones y selección de vértices primarios.
• Extracción de Señal:
  • Las distribuciones de masa invariante de los pares $e^+e^-$ se ajustaron utilizando plantillas de Monte Carlo (MC) para la señal y funciones polinómicas para el fondo correlacionado.
  • El fondo combinatorio no correlacionado se estimó mediante la técnica de eventos mezclados (mixed-event).
  • Se corrigieron los rendimientos brutos por la aceptación geométrica, la eficiencia de reconstrucción y la eficiencia del disparador del TRD.

3. Contribuciones Clave

• Primera Medición a Midrapidez: Es la primera vez que se mide la sección eficaz diferencial en $p_T$ de $\psi(2S)$ inclusivo a midrapidez en el LHC.
• Extensión del Rango de $p_T$: El estudio extiende el rango accesible de $p_T$ hacia valores más bajos, desde 8 GeV/c (límite de mediciones anteriores en midrapidez) hasta 4 GeV/c.
• Medición de la Razón $\psi(2S)/J/\psi$: Se presenta por primera vez la razón de secciones eficaces de producción entre $\psi(2S)$ y $J/\psi$ en este rango de $p_T$ y rapididad, obtenida de manera consistente dentro del mismo análisis.
• Validación de Modelos Teóricos: Proporciona datos cruciales para probar la universalidad de los LDMEs en NRQCD y la dependencia de la energía y la rapididad en el modelo ICEM.

4. Resultados Principales

A. Sección Eficaz Diferencial en $p_T$

• La sección eficaz de producción de $\psi(2S)$ decrece rápidamente con el aumento de $p_T$, siguiendo una ley de potencia.
• Los datos muestran un espectro más "duro" (mayor producción relativa a altos $p_T$) en midrapidez en comparación con las mediciones a rapididades hacia adelante.
• Comparación con Teoría:
  • NRQCD (NLO): Describe cuantitativamente bien los datos en todo el rango de $p_T$ medido (4–16 GeV/c).
  • ICEM: Es consistente con los datos dentro de las incertidumbres, aunque tiende a subestimar ligeramente la sección eficaz absoluta.

B. Razón $\psi(2S)$ a $J/\psi$

• Se observa un aumento suave pero notable de la razón $\sigma(\psi(2S))/\sigma(J/\psi)$ a medida que aumenta el $p_T$.
• Esta tendencia es consistente con las mediciones a rapididades hacia adelante y con las predicciones de NRQCD, que sugieren espectros de $p_T$ más duros para estados más pesados debido a la cinemática de dispersión dura.
• El modelo ICEM predice una razón casi plana (independiente de $p_T$), lo que contrasta con la tendencia creciente observada en los datos, aunque las incertidumbres teóricas son grandes.

C. Comparación con ATLAS

• En la región de superposición ($8 < p_T < 16$ GeV/c), los resultados de ALICE son totalmente consistentes con las mediciones inclusivas derivadas de los datos de ATLAS, validando la consistencia entre los experimentos.

5. Significado e Impacto

Este trabajo es fundamental para la comprensión de la hadronización de quarks pesados:

1. Prueba de Universalidad: Los resultados apoyan la hipótesis de que los elementos de matriz de larga distancia (LDMEs) en el marco NRQCD pueden ser universales, ya que el modelo describe bien los datos tanto a midrapidez como a rapididades hacia adelante.
2. Línea Base para Colisiones de Iones Pesados: Estas mediciones en pp establecen una línea base esencial para estudiar la supresión de quarkonia en colisiones núcleo-núcleo (Pb-Pb), donde la formación del plasma de quarks y gluones (QGP) se infiere a través de la modificación de estas secciones eficaces.
3. Dinámica de Hadronización: La observación de un aumento en la razón $\psi(2S)/J/\psi$ con $p_T$ sugiere que los mecanismos de producción de estados excitados tienen una dependencia cinemática distinta a la de los estados fundamentales, lo que pone a prueba los modelos de fragmentación y los efectos de orden superior en QCD.

En resumen, el análisis de ALICE proporciona la visión más completa hasta la fecha de la producción de $\psi(2S)$ a midrapidez en el LHC, extendiendo el conocimiento experimental a regiones de bajo momento transversal y ofreciendo restricciones críticas para los modelos teóricos de la cromodinámica cuántica.