Evidence for parton energy loss in oxygen$-$oxygen collisions at $\mathbf{\sqrt{s_{\rm NN}}=5.36}$ TeV

Resumen Técnico: Evidencia de la Pérdida de Energía de Partones en Colisiones Oxígeno–Oxígeno a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV

Problema y Motivación
La formación del plasma de quarks y gluones (QGP), un estado de quarks y gluons desconfinados, está bien establecida en sistemas nucleares grandes como las colisiones Pb–Pb y Au–Au, donde el "apagado de jets" (pérdida de energía de partones) sirve como una sonda primaria de las propiedades del medio. Sin embargo, el inicio de la formación del QGP en sistemas nucleares más pequeños sigue siendo objeto de investigación. Aunque las colisiones protón–protón (pp) y protón–plomo (p–Pb) de alta multiplicidad han exhibido firmas de colectividad, la evidencia directa e inequívoca de la pérdida de energía de partones en estos sistemas pequeños ha sido esquiva. Existe una brecha crítica en la comprensión de la transición de sistemas pequeños a sistemas grandes. Las colisiones oxígeno–oxígeno (OO), con un número de masa nuclear intermedia ($A=16$), ofrecen una oportunidad única para cerrar la brecha entre los sistemas pequeños (pp, p–Pb) y los sistemas grandes (Xe–Xe, Pb–Pb). Un desafío significativo en la interpretación de la supresión en estos sistemas intermedios es distinguir los efectos del medio "caliente" (pérdida de energía inducida por el QGP) de los efectos de la materia nuclear "fría" (CNM), tales como las modificaciones de las funciones de distribución de partones nucleares (nPDF) (por ejemplo, el sombreado de gluones) o la pérdida de energía totalmente coherente. Mediciones previas en colisiones OO por CMS indicaron supresión, pero carecían de una restricción robusta basada en datos de las contribuciones de CNM específicas para el proyectil de oxígeno.

Metodología
Este estudio utiliza datos registrados por el detector ALICE en julio de 2025 provenientes de colisiones OO a $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV y colisiones protón–oxígeno (pO) a $\sqrt{s_{NN}} = 9.62$ TeV. El análisis se centra en la producción de piones neutros ($\pi^0$) en el rango de momento transversal $1.2 < p_T < 20$ GeV/c.

• Detector y Reconstrucción: El sistema de Disparo de Interacción Rápida (FIT) proporcionó disparos de multiplicidad mínima (minimum-bias) y tiempos de colisión, mientras que el Calorímetro Electromagnético (EMCal) se utilizó para la reconstrucción de fotones. Los fotones se identificaron mediante el agrupamiento de depósitos de energía y la aplicación de criterios de selección basados en la forma del cúmulo (redondez) y el tiempo para rechazar fondos hadrónicos y pileup. Los mesones $\pi^0$ se reconstruyeron mediante la masa invariante de pares de fotones ($M_{\gamma\gamma}$), con el fondo combinatorio restado mediante métodos de eventos mezclados y rotación.
• Líneas de Base de Referencia: Para calcular los factores de modificación nuclear, se requirieron secciones eficaces de referencia de colisiones pp.
  • Para colisiones OO ($\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV), los datos de pp al mismo nivel de energía ($\sqrt{s} = 5.36$ TeV) sirvieron como línea de base.
  • Para colisiones pO ($\sqrt{s_{NN}} = 9.62$ TeV), la línea de base se construyó interpolando entre las mediciones de pp a $\sqrt{s} = 5.36$ TeV y $\sqrt{s} = 13.6$ TeV utilizando una parametrización de ley de potencia de la dependencia con la energía.
• Observables:
  • $R_{OO}$: El factor de modificación nuclear para colisiones OO, definido como la razón del rendimiento de $\pi^0$ en OO respecto a pp, escalado por el número de colisiones binarias ($A^2$).
  • $R_{pO}$: El factor de modificación nuclear para colisiones pO, definido de manera similar pero escalado por $A$. Esto proporciona, por primera vez, una restricción basada en datos de los efectos de CNM para un proyectil de oxígeno.
  • Relación Doble ($R_{OO}/R_{pO}^2$): Construida para cancelar en gran medida las contribuciones de CNM presentes tanto en $R_{OO}$ como en $R_{pO}$, aislando así los efectos de interacción de medio caliente finales.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Medición de $R_{OO}$: El factor $R_{OO}$ exhibe una clara supresión respecto a la unidad, con una significancia de $9.2\sigma$. El patrón de supresión en función de $p_T$ es similar al observado en colisiones Pb–Pb. Al compararlo con los cálculos de pQCD de orden siguiente al líder (NLO) que incorporan varios conjuntos de nPDF (TUJU21, nNNPDF3.0, nCTEQ15HQ, EPPS21), los datos muestran desviaciones. Mientras que algunos conjuntos de nPDF predicen desviaciones de hasta un 20% (EPPS21), la supresión observada en los datos excede las expectativas teóricas de CNM con una significancia de $1.8\sigma$ contra la predicción más suprimida.
2. Medición de $R_{pO}$: Por primera vez, se mide $R_{pO}$ para proyectiles de oxígeno. Los resultados son compatibles con la unidad en todo el rango de $p_T$ dentro de las incertidumbres. Esto indica que los efectos de CNM por sí solos no conducen a una supresión significativa en colisiones pO. Los datos son consistentes tanto con los cálculos estándar de nPDF como con modelos basados únicamente en la pérdida de energía totalmente coherente (FCEL).
3. Análisis de la Relación Doble: La relación doble $R_{OO}/R_{pO}^2$ se presenta para aislar los efectos de medio caliente. Las predicciones teóricas que incluyen solo efectos de CNM (nPDFs) se agrupan alrededor de la unidad. La relación doble medida se desvía significativamente de estas expectativas, mostrando una supresión consistente con la pérdida de energía de partones. La significancia de esta desviación es de $4.9\sigma$ (para la línea de base nNNPDF3.0).
4. Comparación Teórica: La supresión observada en la relación doble se compara con dos modelos teóricos que incorporan la pérdida de energía de partones: el "enfoque de acoplamiento híbrido" y el "modelo Cape Town". Ambos modelos, que incluyen mecanismos de pérdida de energía en un medio caliente, describen con éxito la magnitud y la forma de la supresión observada en los datos.

Significancia
El artículo establece evidencia de la pérdida de energía de partones en colisiones oxígeno–oxígeno. Al combinar la medición de $R_{OO}$ con la novedosa medición de $R_{pO}$ y el observable de la relación doble, el estudio logra restringir con éxito los efectos de la materia nuclear fría y aislar las interacciones de estado final. Los resultados demuestran que la supresión observada no puede explicarse únicamente por los efectos de CNM. Este hallazgo extiende la evidencia experimental del apagado de jets al sistema nuclear más pequeño estudiado hasta la fecha, proporcionando un punto de datos crucial para comprender el inicio de la formación del QGP a números de masa bajos. Los hallazgos son consistentes con los modelos teóricos que asumen la presencia de un medio caliente y desconfinado en las colisiones OO.