Standard Model Soft and Hard QCD at ATLAS and CMS

Resumen Técnico: QCD Blando y Duro del Modelo Estándar en ATLAS y CMS

Problema y Alcance
Esta contribución aborda la exploración exhaustiva de la Cromodinámica Cuántica (QCD) a través de un vasto espectro de escalas de energía en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El desafío central radica en caracterizar simultáneamente el régimen no perturbativo de las interacciones fuertes —que gobierna la actividad hadrónica blanda, la hadronización y las interacciones de múltiples partones— y en probar rigurosamente las predicciones de la QCD perturbativa (pQCD) a las energías más altas accesibles. El objetivo del artículo es presentar una selección de mediciones recientes de los experimentos ATLAS y CMS utilizando datos de colisiones protón-protón de la Fase 2 del LHC (Run 2, $\sqrt{s} = 13$ TeV) y el inicio de la Fase 3 (Run 3). Estos estudios son críticos para validar las predicciones teóricas, restringir los generadores de eventos de Monte Carlo (MC) y refinar el modelado requerido para las mediciones de precisión del Modelo Estándar (SM) y las búsquedas de Más Allá del Modelo Estándar (BSM).

Metodología
El artículo sintetiza resultados de diversas análisis que emplean metodologías distintas adaptadas a regímenes específicos de QCD:

• QCD Blanda (Formas de Evento): La Colaboración CMS analizó eventos de la sección transversal mínima (minimum-bias) recolectados a $\sqrt{s} = 13$ TeV bajo condiciones especiales de bajo pile-up ($\mu \approx 1$) con una luminosidad integrada de 64 $\mu$b$^{-1}$. El estudio midió observables globales de la forma del evento (multiplicidad, esfericidad, empuje (thrust), ensanchamiento, etc.) y desplegó (unfolded) las distribuciones al nivel de partícula. Estos se compararon con las predicciones de varios generadores de eventos MC para probar modelos fenomenológicos de producción de partículas blandas.
• QCD Dura (Producción de Jets):
  • Di-jets Inclusivos: ATLAS utilizó 140 fb$^{-1}$ de datos a 13 TeV, mientras que CMS utilizó 24.7 pb$^{-1}$ a 5.02 TeV. Ambas colaboraciones midieron secciones transversales de di-jets inclusivos doble-diferenciales en función de la masa invariante de los di-jets ($m_{jj}$) y la separación de rapidez ($y^*$). Los resultados fueron corregidos por efectos del detector mediante el despliegue (unfolding) para permitir la comparación directa con predicciones teóricas a nivel de partícula (NLO y NNLO).
  • Fragmentación de Upsilon: CMS investigó la producción de $\Upsilon(nS)$ dentro de jets a 13 TeV, midiendo la distribución de estados de bottomonium respecto a los observables del jet para restringir los modelos de fragmentación de quarks pesados.
  • Efecto del Cono Muerto (Dead-Cone Effect): Utilizando eventos $t\bar{t}$ a 13 TeV (59.8 fb$^{-1}$), CMS midió la densidad de emisión diferencial de jets de b-quark como función de variables angulares para observar la supresión de la radiación de gluones colineales de quarks masivos.
• Dispersión de Partones Dobles (DPS): ATLAS realizó una medición de DPS en la producción de WW de mismo signo utilizando el conjunto completo de datos de Run 2. Se empleó un análisis multivariante para aislar la señal de DPS de los fondos, extrayendo la sección transversal efectiva ($\sigma_{eff}$) mediante un ajuste a los datos.
• Detectores de Protones Forward: El artículo revisa las capacidades de los detectores forward AFP (ATLAS) y PPS (CMS), que identifican (tag) protones dispersados en ángulos pequeños para estudiar procesos difractivos e inducidos por fotones.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Deficiencias en el Modelado de QCD Blanda: La medición de las variables de la forma de evento de partículas cargadas reveló que ninguno de los modelos MC considerados proporciona una descripción satisfactoria simultánea de todos los observables. Se observó una tendencia sistemática donde los datos experimentales son más isotrópicos que las simulaciones, lo que resalta deficiencias persistentes en el modelado de la producción de partículas blandas y las interacciones de múltiples partones.
2. Pruebas de Precisión de pQCD:
   • Secciones Transversales de Di-jets: Las secciones transversales medidas están generalmente bien descritas por cálculos NLO y NNLO con correcciones electrodébiles. Sin embargo, la medición de ATLAS identificó una dependencia no trivial de la relación dato-teoría en función de $m_{jj}$ y $y^*$, con las predicciones teóricas sobreestimando los datos a bajos valores de $y^*$ y con desviaciones que aumentan a mayores rapididades y masas. El estudio de CMS demostró que las incertidumbres teóricas dependen fuertemente de las elecciones de escala ($\mu_R, \mu_F$), con cálculos NNLO reduciendo las incertidumbres a alto momento transversal pero mostrando incrementos en algunas regiones de bajo $p_T$.
   • Fragmentación de Upsilon: Los resultados proporcionaron restricciones sobre la fragmentación de quarks pesados en estados ligados y ofrecieron datos para discriminar entre mecanismos de producción, contribuyendo a la comprensión del "rompecabezas de la polarización de los quarkonia".
   • Efecto del Cono Muerto: El análisis confirmó la supresión de la radiación colineal en jets de b-quark en comparación con las predicciones de cascadas de partones sin masa. Las simulaciones que incorporan efectos de masa proporcionaron una descripción significativamente mejorada de los datos, mientras que las líneas base de quarks ligeros mostraron una emisión sustancialmente más fuerte a ángulos pequeños.
3. Dispersión de Partones Dobles: La medición de ATLAS extrajo una sección transversal efectiva de $\sigma_{eff} = 10.6 \pm 1.8$ mb para la producción de WW de mismo signo. Este resultado es consistente dentro de las incertidumbres con mediciones previas en diferentes estados finales, ofreciendo nueva información sobre las correlaciones espaciales y de momento entre partones.
4. Detectores Forward: La revisión destaca que AFP y PPS permiten el estudio del intercambio de singletes de color y la producción exclusiva central, proporcionando una supresión de fondo única para estados finales exclusivos raros. Se señala que el análisis de los datos de Run 3 de estos detectores acaba de comenzar.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que estos resultados proporcionan, colectivamente, pruebas rigurosas de las predicciones teóricas y de los generadores de eventos MC. Los hallazgos subrayan la necesidad de un mejor modelado de la dinámica blanda y de las interacciones de múltiples partones para apoyar las mediciones de precisión del SM y las búsquedas de BSM. Los autores afirman que el aumento de la energía del centro de masa y el volumen de datos de Run 3 prometen pruebas aún más rigurosas de la QCD, conduciendo a una comprensión más profunda de la estructura del protón. Específicamente, el artículo señala que los datos de los detectores forward proporcionarán mayor información para las mediciones de precisión del SM y permitirán nuevos tipos de búsquedas de BSM. El trabajo se presenta como una contribución al programa de física del LHC en curso, enfatizando la transición de los resultados de Run 2 hacia el alcance cinemático extendido y la precisión de Run 3.