Measurement of $J/\psi$-jet correlations in $pp$ and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Medición de las correlaciones $J/\psi$–jet en colisiones $pp$ y Pb+Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV con el detector ATLAS

Problema y Motivación
La producción de charmonio, específicamente el mesón $J/\psi$ (un estado ligado $c\bar{c}$), está fuertemente suprimida en colisiones de iones pesados en comparación con las colisiones protón-protón ($pp$) debido a las interacciones con el plasma de quarks y gluones (QGP). Aunque se comprenden mecanismos como el apantallamiento de color, la disociación en el medio y la regeneración, los mecanismos de producción precisos de los charmonios siguen sin resolverse. Específicamente, no está claro cómo se correlacionan los charmonios con la actividad de los jets y si los $J/\psi$ de alto $p_T$ experimentan una pérdida de energía inducida por el medio análoga al quenching de jets (jet quenching). Las mediciones previas de correlaciones $J/\psi$–jet realizadas por CMS y LHCb dependían de muestras de eventos disparadas por la presencia de jets o definían al $J/\psi$ como estando "en un jet" basándose en el cuadrimomento del jet (que incluye al propio $J/\psi$). Estos enfoques introducen posibles sesgos y no separan completamente la cinemática del $J/\psi$ de la cinemática del jet. Este artículo tiene como objetivo cuantificar las correlaciones $J/\psi$–jet analizando todos los eventos de $J/\psi$, separando la cinemática del $J/\psi$ de la cinemática del jet, y distinguiendo entre $J/\psi$ prompt (producidos directamente) y no-prompt (provenientes de decaimientos de hadrones $b$).

Metodología
El análisis utiliza datos recolectados por el detector ATLAS en el LHC, que corresponden a $1.82 \text{ nb}^{-1}$ de colisiones Pb+Pb (2015 y 2018) y $0.26 \text{ fb}^{-1}$ de colisiones $pp$ (2017), todos a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV.

• Selección y Reconstrucción de Eventos: Los candidatos a $J/\psi$ se reconstruyen en el canal de decaimiento dimuón ($\mu^+\mu^-$) con $p_T > 9$ GeV y $|y| < 2$. Los muones deben satisfacer el punto de trabajo "Medium" y estar asociados a los muones del nivel de trigger.
• Asociación de Jets: Los jets se reconstruyen utilizando el algoritmo anti-$k_t$ con un parámetro de radio $R=0.2$ y un umbral de momento transversal de $p_T > 20$ GeV. Crucialmente, la reconstrucción del jet excluye la señal del mesón $J/\psi$.
• Clasificación: Los candidatos a $J/\psi$ se categorizan en tres clases:
  1. No aislados: Asociados a un jet dentro de $\Delta R < 0.4$.
  2. Inclusivos: Todos los candidatos a $J/\psi$ seleccionados.
  3. Aislados: Definidos como la diferencia entre los rendimientos inclusivos y no aislados ($N_{iso} = N_{incl} - N_{non-iso}$).
• Extracción de la Señal: Los rendimientos para $J/\psi$ prompt y no-prompt se extraen mediante ajustes de máxima verosimilitud no parametrizados a las distribuciones de la masa invariante dimuón ($m_{\mu\mu}$) y del tiempo de vida pseudo-propio ($\tau_{\mu\mu}$). El modelo de ajuste incluye componentes de señal (Crystal Ball + Gaussiana) y componentes de fondo (exponenciales) tanto para las fuentes prompt como para las no-prompt.
• Correcciones: Las distribuciones crudas se corrigen por aceptación, eficiencia de trigger, eficiencia de reconstrucción y efectos relacionados con los jets (incluyendo la escala de energía y resolución de los jets, y los jets de fondo provenientes del evento subyacente o interacciones de múltiples partones estimados mediante el método del cono ortogonal).
• Observables: El estudio reporta secciones eficaces diferenciales en $pp$, rendimientos en Pb+Pb (normalizados por el conteo de eventos y la función de solapamiento nuclear $\langle T_{AA} \rangle$), factores de modificación nuclear ($R_{AA}$), fracciones de aislamiento y fracciones no-prompt.

Contribuciones Clave

• Desacoplamiento de la Cinemática: El análisis separa la cinemática del $J/\psi$ de la cinemática del jet reconstruyendo los jets sin la señal del $J/\psi$ y analizando la muestra completa de $J/\psi$ en lugar de eventos disparados por jets.
• Definición de Aislamiento: Introduce una definición rigurosa de mesones $J/\psi$ "aislados" basada en la ausencia de un jet cercano de alto $p_T$, lo que permite una comparación directa entre los mecanismos de producción aislados y no aislados.
• Separación Prompt vs. No-prompt: La medición proporciona resultados separados para $J/\psi$ prompt y no-prompt en todas las categorías (aislados, no aislados, inclusivos).
• Tratamiento de la Sistemática: El artículo detalla las incertidumbres sistemáticas derivadas de las correcciones de jets, la sustracción de fondo y los modelos de ajuste, abordando específicamente el impacto del evento subyacente en las colisiones Pb+Pb sobre el etiquetado de jets.

Resultados

• Fracciones de Aislamiento: La fracción de $J/\psi$ aislados comienza en la unidad para $p_T \approx 9$ GeV y disminuye a valores entre 0.6 y 0.8 para $p_T \approx 50$ GeV. La fracción de aislamiento es sistemáticamente entre un 10 y un 20% mayor para $J/\psi$ prompt que para $J/\psi$ no-prompt tanto en colisiones $pp$ como en Pb+Pb. No se observa una diferencia significativa en la fracción de aislamiento entre $pp$ y Pb+Pb ni a través de los diferentes intervalos de centralidad.
• Fracciones No-prompt: La fracción no-prompt para $J/\psi$ inclusivos aumenta desde $\approx 0.3$ en $p_T = 10$ GeV hasta $\approx 0.6$ en $p_T = 50$ GeV. Para $J/\psi$ no aislados con $p_T > 15$ GeV, la fracción no-prompt es aproximadamente 0.7 y no muestra dependencia con $p_T$.
• Factores de Modificación Nuclear ($R_{AA}$):
  • Se observa una fuerte supresión para todas las clases hasta el rango más alto de $p_T$ medido.
  • Para $J/\psi$ prompt, los valores de $R_{AA}$ para las clases aisladas e inclusivas son consistentes en todo el rango de $p_T$.
  • Sin embargo, para $p_T > 30$ GeV, el $R_{AA}$ para $J/\psi$ prompt no aislados es sistemáticamente menor que para el $J/\psi$ prompt aislado. Esta diferencia tiene una significancia de 3.5$\sigma$ (vía la prueba de Stouffer) y 3.3 desviaciones estándar (vía comparación de pendientes).
  • No se observa una diferencia significativa en el $R_{AA}$ entre las tres clases de aislamiento para $J/\psi$ no-prompt.
• Función de Fragmentación: La función de fragmentación cruda para $J/\psi$ prompt en colisiones $pp$ es cualitativamente consistente con las predicciones de Pythia 8 para la producción no-prompt, pero difiere significativamente de las predicciones para la producción prompt, lo que sugiere que la producción de $J/\psi$ prompt tardía en la cascada de partones está subestimada en el modelo.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados proporcionan nuevas restricciones sobre los mecanismos de producción de charmonio y su supresión en el medio. Al demostrar que los mesones $J/\psi$ prompt no aislados (aquellos asociados con jets) experimentan una supresión más fuerte ($R_{AA}$) que los aislados a alto $p_T$, los autores sugieren que el $J/\psi$ producido en asociación con una cascada de partones o un sistema de fragmentación más desarrollado puede estar sujeto a una pérdida de energía o disociación incrementada en el medio. Los resultados ofrecen una entrada crítica para modelos teóricos que buscan describir la producción de $J/\psi$ tanto en colisiones $pp$ como en Pb+Pb, particularmente respecto a la interacción entre el jet quenching y la supresión del charmonio.