Multiplicity dependence of prompt and non-prompt J/$\psi$ production at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV

Este estudio mide en colisiones pp a 13 TeV cómo los rendimientos normalizados de J/ψ prompt y no prompt aumentan de forma más que lineal con la multiplicidad de partículas cargadas, mostrando una tendencia más pronunciada en la región azimutal hacia la dirección de emisión del J/ψ en comparación con las regiones transversal y opuesta.

Lo esencial

¡Claro que sí! Imagina que este artículo es como un informe de detectives de la física, pero en lugar de buscar huellas dactilares en una escena del crimen, están buscando las "huellas" de partículas subatómicas que chocan a velocidades increíbles.

Aquí tienes la explicación de este estudio de la colaboración ALICE (en el CERN) en un lenguaje sencillo, usando analogías de la vida cotidiana:

🌌 El Escenario: La Gran Colisión de Autos

Imagina que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es una pista de carreras donde lanzamos dos autos (protones) uno contra el otro a una velocidad casi igual a la de la luz. Cuando chocan, no se rompen en pedazos de metal, sino que explotan en una lluvia de partículas nuevas.

En este experimento, los científicos están observando un tipo de partícula muy especial llamada J/ψ (se pronuncia "J-psi"). Piensa en el J/ψ como un "coche de lujo" muy pesado que se forma en el choque.

🔍 El Misterio: ¿Quién condujo el coche?

El problema es que hay dos formas de llegar a este "coche de lujo":

1. Prompt (Directo): El coche se fabrica y se entrega inmediatamente en el momento del choque. Es como si el conductor apareciera de la nada justo cuando chocan los autos.
2. Non-prompt (Indirecto): El coche es un "remanente" de algo más grande. Imagina que chocan dos camiones (que contienen partículas pesadas llamadas "quarks belleza"). De esos camiones rotos sale un coche de lujo (el J/ψ) un poco más tarde. Es como si el coche saliera de un camión que se desarmó.

Los científicos querían saber: ¿Cómo cambia la cantidad de estos coches de lujo dependiendo de cuánta "basura" (otras partículas) se produzca en el choque?

🎈 La Analogía de la Fiesta

Imagina que cada choque de protones es una fiesta.

• Las fiestas pequeñas (baja multiplicidad): Hay pocos invitados. Si aparece un coche de lujo, es un evento raro y especial.
• Las fiestas grandes (alta multiplicidad): Hay miles de invitados, música alta y mucha gente chocando.

Los científicos querían ver qué pasa con los coches de lujo (J/ψ) cuando la fiesta se vuelve más loca y llena de gente.

📈 El Hallazgo Principal: ¡Más gente, ¡más coches!

Lo que descubrieron es sorprendente:

• Si la fiesta se duplica en tamaño (más partículas), la cantidad de coches de lujo no se duplica. ¡Se triplica o se cuadruplica!
• Es como si, en una fiesta muy concurrida, la gente se pusiera más creativa y empezara a fabricar coches de lujo a una velocidad loca. A esto lo llaman un "aumento más fuerte que lineal".

¿Por qué pasa esto?
Los científicos creen que cuando hay mucha gente junta (alta densidad de partículas), las interacciones entre ellas se vuelven más complejas. Es como si en una multitud apretada, la gente empezara a empujarse y a crear más caos, lo que genera más oportunidades para que surjan estos coches de lujo.

🧭 Mirando en Diferentes Direcciones

Para entender mejor el "caos", dividieron la fiesta en tres zonas alrededor del coche de lujo:

1. Hacia el coche (Toward): La zona donde el coche va. Aquí hay mucha gente porque el coche empuja a otros al salir (como el viento de un coche rápido).
2. Lateral (Transverse): Los lados. Aquí la gente es más tranquila.
3. Hacia atrás (Away): La parte opuesta.

El resultado: El aumento de coches de lujo es mucho más fuerte en la zona "Hacia el coche". Esto sugiere que el coche y la gente que lo rodea están muy conectados. Es como si el coche de lujo trajera consigo a su propia banda de fans.

🤖 ¿Qué dicen los modelos de computadora?

Los científicos usaron simulaciones por computadora (como PYTHIA y EPOS) para intentar predecir qué pasaría.

• PYTHIA (el modelo antiguo): Decía que el aumento sería más suave. No acertó del todo.
• PYTHIA con "modos especiales" (oniaShower): ¡Este sí acertó! Sugiere que para entender cómo se hacen estos coches, hay que mirar cómo se comportan las partículas justo antes de convertirse en el coche final.
• EPOS: Este modelo intenta simular un "líquido" caliente (como una sopa de partículas). Funciona bien para algunas cosas, pero no para todas.

🍔 La Comparación con la Comida (D0 vs J/ψ)

También compararon los coches de lujo (J/ψ) con un tipo de comida rápida (partículas D0).

• En las grandes colisiones de núcleos de plomo (fiestas gigantes), a veces los coches de lujo se regeneran (se vuelven a formar) porque hay tantos ingredientes sueltos que se juntan.
• Pero en las colisiones de protones (fiestas más pequeñas), no vieron esa regeneración. La proporción de coches de lujo a comida rápida se mantuvo igual, sin importar cuán grande fuera la fiesta. Esto es importante porque sugiere que, aunque la fiesta esté llena, no se forma un "líquido" tan denso como en las colisiones de plomo.

🏁 Conclusión Simple

En resumen, este estudio nos dice que:

1. En las colisiones de protones, cuanto más "ruidosa" y llena de partículas sea la colisión, más probable es que aparezcan estos coches de lujo pesados (J/ψ), y lo hacen de forma explosiva.
2. Este fenómeno está muy ligado a la dirección en la que viaja el coche.
3. Los modelos actuales de física necesitan ajustarse (como cambiar la receta de un pastel) para entender por qué ocurre este aumento tan fuerte.

Es como descubrir que en una fiesta muy concurrida, no solo hay más gente, sino que la gente empieza a crear cosas nuevas a un ritmo que nadie había previsto antes. ¡Y eso es lo que hace que la física de partículas sea tan emocionante!

Resumen técnico

Aquí tienes un resumen técnico detallado del documento CERN-EP-2026-109, titulado "Multiplicidad dependence of prompt and non-prompt J/ψ production at midrapidity in pp collisions at √s = 13 TeV" (Dependencia de la multiplicidad de la producción de J/ψ prompt y no prompt en colisiones pp a √s = 13 TeV), realizado por la colaboración ALICE.

1. Problema y Contexto Científico

El objetivo principal de este estudio es investigar los mecanismos de producción de quarkonia (específicamente el mesón $J/\psi$) en colisiones protón-protón (pp) de alta energía, en función de la multiplicidad de partículas cargadas producidas.

• Fondo Teórico: La producción de $J/\psi$ puede ser prompt (producida directamente o a partir de la desintegración de estados de quarkonia superiores) o no prompt (proveniente de la desintegración débil de hadrones con belleza, $b \to J/\psi$).
• La Pregunta Clave: Se ha observado que en eventos de alta multiplicidad en pp, el rendimiento de partículas duras (como $J/\psi$) aumenta de manera más que lineal con respecto a la multiplicidad de partículas blandas. Esto sugiere una interacción compleja entre los procesos duros (scattering de gran momento transferido) y los procesos blandos (interacciones múltiples de partones, MPI), o posibles efectos de colectividad similares a los observados en el plasma de quarks y gluones (QGP) en sistemas más grandes (Pb-Pb).
• Desafío: Es crucial distinguir si este aumento se debe a autocorrelaciones (partículas producidas en el mismo proceso que el $J/\psi$), a efectos de estado inicial (como la saturación de gluones en el modelo CGC) o a efectos de estado final (como la regeneración en un medio denso). Además, se busca entender si los mecanismos de hadronización de los quarks pesados (charm y beauty) muestran no universalidad en función de la multiplicidad.

2. Metodología y Análisis Experimental

Datos y Configuración:

• Colisiones: pp a una energía en el centro de masas de $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Detector: ALICE en el LHC (Run 2).
• Canal de desintegración: Se reconstruyen los $J/\psi$ a través del canal de desintegración en dielectrones ($e^+e^-$) en la región de rapidez central ($|y| < 0.9$).
• Estimador de Multiplicidad: Se mide la multiplicidad de partículas cargadas primarias ($N_{ch}$) en $|\eta| < 0.9$.
• Regiones Azimutales: La multiplicidad se divide en tres regiones relativas a la dirección del momento del $J/\psi$:
  1. Toward (Hacia): $|\phi_{track} - \phi_{J/\psi}| < \pi/3$.
  2. Transverse (Transversal): $\pi/3 < |\Delta\phi| < 2\pi/3$.
  3. Away (Lejos): $|\Delta\phi| > 2\pi/3$.
     Esto permite separar la actividad del "evento subyacente" (transversal/lejos) de la actividad asociada al jet o proceso de producción (hacia).

Procedimiento de Análisis:

1. Selección de Eventos: Se utilizan muestras de datos con disparadores de Mínima Sesgo (MB), Alta Multiplicidad (HM, top 0.1%) y TRD (para electrones de alto $p_T$).
2. Separación Prompt/No Prompt: Se utiliza un algoritmo de Árbol de Decisión Potenciado (BDT) entrenado con variables cinemáticas y de vértice. La clave es la longitud de desintegración pseudo-propia ($x$), que explota el desplazamiento del vértice secundario de los hadrones de belleza (no prompt) respecto al vértice de colisión primario.
3. Correcciones:
   • Se aplican correcciones de eficiencia de aceptación y reconstrucción.
   • Se utiliza un algoritmo de desenrollado (unfolding) bayesiano iterativo para corregir la distribución de multiplicidad y eliminar efectos de resolución del detector.
   • Se corrige el sesgo de los disparadores (trigger bias) y la autocorrelación introducida por incluir a los electrones de desintegración del $J/\psi$ en el conteo de multiplicidad.
4. Normalización: Los rendimientos y la multiplicidad se normalizan por sus valores promedio en eventos inelásticos con al menos una partícula cargada ($INEL>0$), obteniendo rendimientos auto-normalizados.

3. Contribuciones Clave y Resultados

A. Dependencia de la Multiplicidad (Rendimientos Auto-normalizados):

• Se observa un aumento más que lineal en los rendimientos auto-normalizados tanto para $J/\psi$ prompt como no prompt a medida que aumenta la multiplicidad auto-normalizada.
• La pendiente de este aumento es similar para ambos componentes, lo que indica que el mecanismo que impulsa el aumento afecta por igual a la producción directa y a la proveniente de belleza.
• Este efecto es más pronunciado a mayores momentos transversales ($p_T$) del $J/\psi$.

B. Dependencia de la Región Azimutal:

• Región "Toward": Muestra el aumento más fuerte (más que lineal). Esto se atribuye principalmente a autocorrelaciones: las partículas producidas en el mismo proceso (ej. dentro del mismo cono de jet o en la misma cadena de desintegración) contribuyen tanto a la producción del $J/\psi$ como a la multiplicidad medida.
• Regiones "Transverse" y "Away": Muestran un aumento más débil, cercano a lineal o ligeramente superior. Esto sugiere que la actividad del evento subyacente (MPI) también está correlacionada con la producción de $J/\psi$, pero en menor medida que la autocorrelación directa.
• Sesgo del Disparador (HM Trigger): Se identifica un sesgo significativo en los eventos de alta multiplicidad seleccionados por el disparador, que favorece eventos con múltiples jets, afectando más las regiones transversales y "away".

C. Fracción No Prompt ($f_B$):

• La fracción de $J/\psi$ provenientes de belleza ($f_B$) muestra una tendencia leve a aumentar con la multiplicidad, aunque con incertidumbres estadísticas.
• Los modelos de PYTHIA 8 con configuraciones estándar (Monash) subestiman los datos de $J/\psi$ prompt a altas multiplicidades. Sin embargo, la configuración oniaShower (que incluye la producción de quarkonia dentro de las cascadas de partones) reproduce bien los datos, sugiriendo que la producción de $J/\psi$ está fuertemente influenciada por la dinámica de la cascada de partones.

D. Relación $J/\psi / D^0$:

• Se mide la relación entre el rendimiento de $J/\psi$ prompt y $D^0$ prompt.
• En colisiones pp, esta relación es constante dentro de las incertidumbres (no muestra dependencia significativa con la multiplicidad), a diferencia de lo observado en colisiones Pb-Pb centrales donde aumenta (posiblemente debido a la regeneración de $J/\psi$ en el medio denso).
• Esto sugiere que, en sistemas pp de alta multiplicidad, no hay evidencia concluyente de regeneración de $J/\psi$ a partir de pares $c\bar{c}$ no correlacionados, a diferencia de lo que ocurre en el QGP.

4. Comparación con Modelos Teóricos

• PYTHIA 8:
  • La configuración Monash subestima el rendimiento de $J/\psi$ prompt a altas multiplicidades.
  • La configuración oniaShower reproduce bien la tendencia de aumento más que lineal para el $J/\psi$ prompt.
  • Para el $J/\psi$ no prompt, la configuración Monash reproduce bien la tendencia.
• EPOS4HQ:
  • Sobreestima el rendimiento de $J/\psi$ prompt a altas multiplicidades (especialmente con evolución hidrodinámica).
  • Subestima el rendimiento de $J/\psi$ no prompt.
• Modelos CGC (Colored Glass Condensate):
  • Los cálculos basados en CGC (como 3-Pomeron CGC o CGC+ICEM) describen parcialmente los datos, pero no logran reproducir la correlación en todos los intervalos de $p_T$ simultáneamente.

5. Significado y Conclusiones

Este trabajo proporciona una caracterización precisa de la producción de quarkonia en función de la multiplicidad en sistemas pequeños (pp), desafiando la visión tradicional de que estos sistemas son puramente incoherentes.

1. Autocorrelaciones vs. Física de Estado: El aumento más que lineal se explica en gran medida por autocorrelaciones (partículas asociadas al mismo proceso de producción) y por la influencia de la multiplicidad en la producción de partículas duras a través de la dinámica de cascadas de partones (oniaShower).
2. Mecanismos de Hadronización: La falta de variación en la relación $J/\psi/D^0$ en pp sugiere que los efectos de regeneración de quarkonia (típicos del QGP) no son dominantes en colisiones pp, incluso a multiplicidades muy altas.
3. Validación de Modelos: Los resultados ponen límites estrictos a los generadores de eventos (PYTHIA, EPOS) y a los modelos teóricos (CGC), indicando que la producción de quarkonia en eventos de alta densidad requiere una descripción más sofisticada que incluya efectos de estado final y la interacción con la cascada de partones.
4. Futuro: Se destaca la necesidad de datos de Run 3 del LHC, que ofrecerán un conjunto de datos más grande sin disparadores de hardware y con mejor resolución de vértice, para reducir los sesgos y confirmar estas observaciones con mayor precisión.

En resumen, el estudio confirma que la producción de $J/\psi$ en pp está fuertemente correlacionada con la actividad global del evento, pero esta correlación es dominada por efectos de autocorrelación y dinámica de cascadas, más que por la formación de un medio denso colectivo que modifique la hadronización de manera drástica como en Pb-Pb.