Observation of centrality-dependent dijet transverse momentum imbalance in O+O and Ne+Ne collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.36 TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Observación del desequilibrio del momento transverso de dijets dependiente de la centralidad en colisiones de O+O y Ne+Ne

Problema y Motivación
Un objetivo primordial del programa de iones pesados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es caracterizar el plasma de quarks y gluones (QGP), un estado desconfinado de la materia con interacciones fuertes. Los jets de alto momento transverso ($p_T$) sirven como sondas poderosas de este medio, experimentando el "atenuación de jets" (jet quenching) —una reducción en la energía del jet y una redistribución de la energía hacia ángulos grandes— a medida que atraviesan el QGP. Si bien se ha establecido evidencia de la pérdida de energía dependiente de la longitud del camino en colisiones de plomo-plomo (Pb+Pb) no centrales, la interpretación de tales efectos en sistemas más pequeños sigue siendo un desafío. En las colisiones protón-núcleo, la evidencia inequívoca de la atenuación de jets ha sido esquiva, y en las colisiones periféricas de Pb+Pb, las fluctuaciones en las configuraciones iniciales de los nucleones complican la determinación de las longitudes de camino efectivas.

Las colisiones de iones ligeros, específicamente Oxígeno-Oxígeno (O+O) y Neón-Neón (Ne+Ne), ofrecen un nuevo régimen para investigar estos fenómenos. Estos sistemas poseen una extensión transversal sustancialmente menor que las colisiones de Pb+Pb, lo que resulta en longitudes de camino en el medio más cortas (aproximadamente un factor de dos menores). Además, las colisiones centrales de iones ligeros proporcionan una geometría de solapamiento más simétrica en comparación con las interacciones periféricas de Pb+Pb, lo que potencialmente reduce las incertidumbres geométricas asociadas con la interpretación de los efectos dependientes de la longitud del camino. Mediciones recientes han indicado un comportamiento colectivo en las colisiones de O+O y Ne+Ne, sugiriendo la formación de QGP; sin embargo, las sondas duras (como los jets) aún no han demostrado de manera definitiva los efectos inducidos por el medio en estos sistemas pequeños. Un desafío clave en sistemas pequeños es el "sesgo de centralidad", donde las correlaciones entre la producción de procesos duros y el evento subyacente suave utilizado para definir la centralidad pueden distorsionar las mediciones basadas en rendimientos absolutos.

Metodología
La Colaboración ATLAS analizó datos recolectados en 2025 a una energía de centro de masa de nucleón-nucleón de $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV. El conjunto de datos comprende:

• $8.0 \text{ nb}^{-1}$ de colisiones O+O.
• $1.0 \text{ nb}^{-1}$ de colisiones Ne+Ne.
• $386 \text{ pb}^{-1}$ de colisiones protón-protón ($pp$) a la misma energía, sirviendo como referencia.

Selección de Eventos y Centralidad:
Los eventos se seleccionaron utilizando disparadores (triggers) de ancho total (minimum-bias) y de jets. Los intervalos de centralidad (0–10%, 10–20%, 20–40%, 40–60%, y 60–80%) se definieron basándose en la energía transversa total ($\Sigma E_T^{FCal}$) medida en los Calorímetros Frontales (FCal) de ATLAS, mapeada al la sección eficaz inelástica mediante un modelo de Glauber de Monte Carlo. Los eventos de pileup fueron suprimidos rigurosamente mediante el requisito de un único vértice reconstruido de alta calidad y el uso de correlaciones entre la energía del Calorímetro de Grado Cero (ZDC) y $\Sigma E_T^{FCal}$.

Reconstrucción de Jets y Observable:
Los jets se reconstruyeron utilizando el algoritmo anti-$k_t$ con un parámetro de radio $R=0.4$ dentro de $|y| < 2.1$. El análisis se centró en pares de dijets donde los jets líder ($p_{T1}$) y sub-líder ($p_{T2}$) están casi espalda con espalda en azimut ($\Delta\phi > 7\pi/8$). El observable principal es el desequilibrio del momento transverso de dijets, $x_J$:
$$x_J = \frac{p_{T2}}{p_{T1}}$$
donde $0.32 < x_J < 1$ y $63 < p_{T1} < 251$ GeV.

Técnicas de Análisis:
Para mitigar el sesgo de centralidad y la dependencia de las tasas absolutas, el análisis utilizó distribuciones "auto-normalizadas", definidas como $\frac{1}{N_{pair}} \frac{dN_{pair}}{dx_J}$. Este enfoque normaliza la distribución a un área unitaria, haciéndola menos sensible a los sesgos de selección y a las incertidumbres en las funciones de distribución de partones nucleares (nPDF).

• Sustracción de Fondo: Un procedimiento de sustracción de fondo evento por evento estimó la densidad de energía transversa del evento subyacente ($\rho$). Los pares de jets no correlacionados se estimaron utilizando un método de banda lateral (sideband) en $\Delta\phi$ y se restaron.
• Unfolding (Desconvolución): Los efectos del detector, incluyendo la escala de energía del jet (JES), la resolución de energía del jet (JER) y las ineficiencias de reconstrucción, se corrigieron utilizando un procedimiento de deconvolución bayesiana iterativa. Se realizó una deconvolución bidimensional para tener en cuenta la migración de bins y el intercambio del orden de los jets líder/sub-líder.
• Sistemáticas: Las incertidumbres se evaluaron para JES, JER, sustracción de fondo combinatorio y el prior de la deconvolución. La incertidumbre sistemática total se mantuvo generalmente por debajo del 10–15% para la mayoría de los bins de $x_J$.

Resultados Clave
Las distribuciones de $x_J$ auto-normalizadas medidas en las colisiones O+O y Ne+Ne exhiben una clara dependencia de la centralidad cuando se comparan con la referencia de $pp$:

1. Tendencia de Centralidad: A medida que las colisiones se vuelven más centrales (aumentando la actividad del evento), las distribuciones de $x_J$ muestran desviaciones cada vez mayores de la línea base de $pp$. Específicamente, hay un aumento en la contribución relativa de dijets con valores de $x_J$ más bajos (lo que indica un mayor desequilibrio de energía).
2. Significancia Estadística: La desviación de la hipótesis nula (sin modificación, es decir, ratio = 1) se cuantificó mediante una prueba $\chi^2$.
   • En colisiones O+O, se observaron modificaciones significativas ($>5\sigma$) en los intervalos de centralidad 0–10% y 10–20%, persistiendo hasta el intervalo 20–40%. La significancia alcanzó $10.2\sigma$ en el bin de centralidad 0–10% para $79 < p_{T1} \le 89$ GeV.
   • En colisiones Ne+Ne, se observaron modificaciones significativas en los intervalos de centralidad 0–10% y 10–20%, con una significancia de $8.9\sigma$ en el bin 0–10% para el mismo rango de $p_{T1}$.
   • Las modificaciones no fueron estadísticamente significativas en colisiones más periféricas (40–60% y 60–80%) para ninguno de los dos sistemas.
3. Dependencia de la Energía: La modificación permanece significativa en colisiones O+O (Ne+Ne) hasta un $p_{T1}$ del jet líder de aproximadamente 141 GeV (126 GeV) en las colisiones más centrales.
4. Comparación Teórica:
   • Las modificaciones observadas son incompatibles con las predicciones basadas únicamente en nPDF e efectos de isospín (usando los conjuntos EPPS21 y CT18), que predicen desviaciones de menos del 4% de la unidad.
   • Las comparaciones con los modelos Hybrid y Jewel+Trajectum muestran que, si bien ambos predicen una modificación en las colisiones centrales de O+O, el modelo Hybrid generalmente subestima la magnitud del efecto, mientras que Jewel+Trajectum lo sobreestima. La inclusión de dispersiones de Molière en el modelo Hybrid produjo solo cambios menores.
5. Comparación de Tamaño de Sistema: Al compararse con las colisiones periféricas de Pb+Pb (centralidad 60–80%) emparejadas por actividad de evento, las modificaciones de $x_J$ en las colisiones centrales de O+O y Ne+Ne resultan ser comparables.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estos resultados constituyen una observación del desequilibrio del momento transverso de dijets dependiente de la centralidad en colisiones de O+O y Ne+Ne. Los hallazgos demuestran que la pérdida de energía partónica inducida por el medio persiste en sistemas de colisión considerablemente más pequeños que Pb+Pb y Xe+Xe.

La importancia de este trabajo radica en:

• Establecer un Nuevo Régimen: Extiende el estudio de la atenuación de jets a las gotas de plasma de quarks y gluones más pequeñas accesibles en el LHC.
• Dependencia de la Longitud del Camino: Los resultados proporcionan nuevas restricciones sobre el inicio y la dependencia de la longitud del camino de la atenuación de jets, utilizando un sistema con una geometría más simétrica para reducir las incertidumbres geométricas.
• Robustez: Al utilizar distribuciones auto-normalizadas, la medición controla explícitamente los efectos de sesgo de centralidad y los sesgos de selección de actividad de evento que complican las interpretaciones en sistemas pequeños.

Los autores concluyen que las modificaciones observadas son cualitativamente similares a las de las colisiones núcleo-núcleo, pero ocurren en un régimen donde los efectos de configuración inicial están mejor controlados, fortaleciendo así el caso para la formación de un medio tipo QGP en colisiones de iones ligeros.